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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

在合成生物学中使用人工基因电路控制细胞内代谢来提高材料生产效率

基本信息

批准号：
14J10450
负责人：
相馬悠希
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2014
资助国家：
日本
起止时间：
2014-04-25 至 2016-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

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。

The purpose of this study is to construct artificial genetic circuits for efficient production of substances in microbial applications, for optimal phenotypic regulation and plasticity in bacterial propagation and substance production processes. In general, the metabolic activity of residual bacteria in the production process of substances is maintained, and the production rate of target substances is reduced. In particular, the TCA loop is the starting point of the substance production pathway, the direct pathway of substance production, and the metabolic pathway necessary for cell growth. In the beginning of this year, the addition of induction agents, the blocking of TCA circuits, and the construction of metabolic streams in the production of substances The production of Isopropanol by Escherichia coli was 3.7 times higher than that by Escherichia coli. Note that it is necessary to control the cell density and the optimal induction agent for the above loop. In the process of fermentation, the cell density is increased, and the operation of the sterile operation equipment is improved. To solve this problem, artificial induction operation is necessary in the culture process, and the construction of self-regulatory induction system is necessary. This year, the bacteria population density in the interaction is sensed, and the gene expression control system of the population is constructed.(Quorum Sensing: QS) is targeted, and QS is artificially modified.(Quorum Sensing: QS) is constructed. The detection of E. coli cell density and the control of metabolic flux were successful.