遺伝子の発現制御を考慮した微生物の代謝ネットワークのモデル化とシステム解析

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我々はこれまで、生物の代謝調節制御機構を、生きたまま(in vivo)で解析するための手法を開発し、その有効性をバイオリアクター実験で検証してきた。最終的な開発目標は、遺伝子の発現制御機構を組み込んだ"定量的解析"のできるモデルの開発であるが、当面は培養環境を変えると細胞内代謝流束分布がどのように変化するかを調べ、ATP,NADH,NADPH等が代謝調節制御にどのような役割を果たしているかを検討している。具体的には、Corynebacterium glutamicumを用いたアミノ酸(リジン)発酵実験を行い、細胞内代謝物濃度、および酵素活性を測定して、代謝反応をモデル化した。次に、開発したモデルを用いて、MCA(metabolic control analysis)による代謝制御解析を行い、培養の中期でaspartokinaseの活性が、また後期ではpermeaseの活性が律速になっていることを見つけた。このことを検証するために、それぞれ、aspartokinaseとdihydrodipicolinateの酵素活性を高めた遺伝子組換え菌を構築し、後者ではリジンの生産性は向上しなかったが、前者の組換え菌は、確かにリジンの生産性を高めることがわかった。また、光合成を営むクロレラ細胞についても同様の検討を行い、培養環境である光やCO_2、それに糖の供給量の違いが細胞の代謝調節制御にどのような影響を及ぼすかを調べ、ATP収率や熱力学的効率等について考察した。さて、上記解析の基礎となる代謝流束分布は、測定できる各種比速度と代謝量論式を用いて、物質収支から計算しているが、リサイクルを含むTCA回路や、分岐してまた合流するペントースリン酸経路等の詳細な代謝流束分布は本格的に求めることができない。そこで現在は、この点を克服するために、GC-MSおよび^1H-^<13>C2次元NMRを用いた解析法について検討中である。