Identification of rate limiting step in metabolic pathway for bioproductions based on genome scale model

基于基因组规模模型识别生物生产代谢途径中的限速步骤

• 批准号: 19H00839
• 负责人: 清水 浩
• 金额: $ 26.29万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-01 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19H00839/
• 关键词: ゲノムスケール代謝モデル; 有用物質生産; 指向性進化; 代謝フラックス

生物の代謝システムは複雑なネットワークであり、目的物質生産にとって最適な代謝状態をデザインするのは容易ではない。また、未知の代謝物質-酵素の相互作用による制御が沢山あることが分かってきており、これらが代謝経路の様々な箇所において律速点となっている。これは生物の恒常性には必要な機能ではあるが、物質生産の目的には不要であり、目的物質の生産性の向上の障害となっている。本研究では、細胞増殖と目的物質の生産が連動するように代謝をデザインすることで、増殖を選択圧とした指向性進化を行い、基質から目的物質への合成経路に潜む律速点を解消することを目的とした。大腸菌についての代謝反応に関する化学量論情報を整備したゲノムスケールモデルを利用することを考えた。フラックスバランス解析を用いて、増殖速度を最大にする代謝フラックス分布を求める方法を検討した。遺伝子操作によってデザインした代謝経路を実装し、進化プロセスで生じた変異やその機能を解析することで、この経路の律速点やその解消法について検討することとした。これまでに、ゲノムスケールの代謝を議論できる代謝モデルの整備と目的物質を生産する大腸菌の代謝経路をデザインを検討した。基質の設定や目的物質の設定を行って、細胞増殖と目的物質の生産が連動するように代謝を設計し必要な代謝経路の導入、不要な経路の削除を行い、有用物質生産のための基盤株をデザインを開始した。このモデルベースのデザインに従って、実際に株を構築した。また、実験室進化を行うことによって、基質の取り込みや増殖速度の上昇した進化株の取得を試みた。複数の菌株を構築し、進化実験を行った。

生物体的代谢系统是一个复杂的网络，设计目标物质生产的最佳代谢状态并不容易。此外，还发现未知的代谢物-酶相互作用存在许多控制，这些是代谢途径中各个点的限速点。虽然这是生物体体内平衡所必需的功能，但对于物质生产的目的来说却是不必要的，并且是提高目标物质的生产率的障碍。在本研究中，通过设计新陈代谢，使细胞增殖和目标物质的产生联系起来，以增殖为选择压力进行定向进化，消除隐藏在从底物到目标物质的合成途径中的限速点目的是。我们考虑使用基因组规模模型，其中包括大肠杆菌代谢反应的化学计量信息。我们研究了一种使用通量平衡分析来确定代谢通量分布的方法，该分布可以最大化增殖率。通过实施通过基因操作设计的代谢途径，并分析进化过程中发生的突变及其功能，我们决定研究该途径的速率限制点以及如何克服它们。到目前为止，我们已经开发了一个代谢模型，可以让我们讨论基因组规模的代谢，并且我们设计了大肠杆菌产生目标物质的代谢途径。通过设定底物和目标物质，设计新陈代谢，使细胞增殖和目标物质的生产联系起来，引入必要的代谢途径并删除不必要的途径，为生产有用物质奠定了基础，开始设计库存。我们实际上根据这种基于模型的设计构建了库存。此外，通过进行实验室进化，我们试图获得具有增加的底物摄取和生长速率的进化菌株。我们构建了多个菌株并进行了进化实验。

项目成果

In silico Design of Metabolic Pathways and Adaptive Laboratory Evolution for Improvement of Valuable Compounds Production

代谢途径的计算机设计和适应性实验室进化以改进有价值的化合物生产

• 发表时间: 2019
• 作者: Hagawa Hitomi;Imai Kento;Gao Ziwei;Taniguchi Masayuki;Shimizu Kazunori;Honda Hiroyuki;Shimizu Hiroshi
• 通讯作者: Shimizu Hiroshi

In silico Metabolic Pathway Design and Experimental Flux Analysis for Creation of Microbial Cell Factory

用于创建微生物细胞工厂的计算机代谢途径设计和实验通量分析

• 发表时间: 2019
• 作者: Takamichi Matsuno;Yumi Saito;Quansheng Guo;Takao Mori;Makoto Kashiwagi;Atsushi Shimojima;Hiroaki Wada;and Kazuyuki Kuroda;乾晴行;Shimizu Hiroshi
• 通讯作者: Shimizu Hiroshi