合成生物学における人工遺伝子回路を用いた細胞内代謝制御による物質生産効率の向上

本研究の目的は、微生物を用いた物質生産の効率化に向けて、菌体増殖過程と物質生産過程でそれぞれ異なる理想的な表現型を動的・可塑的に制御するための人工遺伝子回路を構築することにある。一般に、物質生産過程に余剰の菌体増殖やこれに寄与する代謝活性が維持されると、標的物質の生産効率の低下を招く。特にTCA回路は様々な物質生産経路の起点となるAcetyl-CoAを消費するため、物質生産の直接的な競合経路とみなせる一方で、菌体増殖に必須な代謝経路でもあるため、従来の代謝工学的手法では競合経路として削除することはできなかった。そこで初年度は、誘導剤の添加によって任意のタイミングでTCA回路を遮断し、余剰の代謝流束を物質生産経路への代謝流束に転換する代謝トグルスイッチを構築した。これを大腸菌によるIsopropanol生産に応用したところ、生産量を従来の3.7倍に向上させることに成功した。上記の回路では、培養プロセスの進行度を把握するために菌体密度をモニタリングし、最適なタイミングで誘導剤を添加する必要があった。しかし、実際の発酵過程において菌体密度をモニタリングするためには、断続的なサンプリングを行う必要があり、サンプリングに伴う汚染を防ぐための無菌操作設備への投資や運営コストが問題となる。この様な問題を解決するためには、培養過程において人為的な誘導操作を必要としない、菌体自律的な制御誘導システムの構築が必要となる。そこで、本年度は、細菌が互いの菌体密度を感知し、集団で遺伝子発現制御を行うシステムであるクオラムセンシング(Quorum Sensing: QS)に着目し、QSを人為的に改変することで、任意の菌体密度で目的の遺伝子発現の自律的誘導を可能とする菌体密度センサーを構築した。これを遺伝子トグルスイッチに統合することで、大腸菌による菌体密度感知とそれに伴う自律的な遺伝子発現制御・代謝流束制御に成功した。

本研究の目的は、微生物を用いた物質生産の効率化に向けて、菌体増殖過程と物質生産過程でそれぞれ異なる理想的な表現型を動的・可塑的に制御するための人工遺伝子回路を構築することにある。一般に、物質生産過程に余剰の菌体増殖やこれに寄与する代謝活性が維持されると、標的物質の生産効率の低下を招く。特にTCA回路は様々な物質生産経路の起点となるAcetyl-CoAを消費するため、物質生産の直接的な競合経路とみなせる一方で、菌体増殖に必須な代謝経路でもあるため、従来の代謝工学的手法では競合経路として削除することはできなかった。そこで初年度は、誘導剤の添加によって任意のタイミングでTCA回路を遮断し、余剰の代謝流束を物質生産経路への代謝流束に転換する代謝トグルスイッチを構築した。これを大腸菌によるIsopropanol生産に応用したところ、生産量を従来の3.7倍に向上させることに成功した。上記の回路では、培養プロセスの進行度を把握するために菌体密度をモニタリングし、最適なタイミングで誘導剤を添加する必要があった。しかし、実際の発酵過程において菌体密度をモニタリングするためには、断続的なサンプリングを行う必要があり、サンプリングに伴う汚染を防ぐための無菌操作設備への投資や運営コストが問題となる。この様な問題を解決するためには、培養過程において人為的な誘導操作を必要としない、菌体自律的な制御誘導システムの構築が必要となる。そこで、本年度は、細菌が互いの菌体密度を感知し、集団で遺伝子発現制御を行うシステムであるクオラムセンシング(Quorum Sensing: QS)に着目し、QSを人為的に改変することで、任意の菌体密度で目的の遺伝子発現の自律的誘導を可能とする菌体密度センサーを構築した。これを遺伝子トグルスイッチに統合することで、大腸菌による菌体密度感知とそれに伴う自律的な遺伝子発現制御・代謝流束制御に成功した。