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。

这项研究的目的是开发一种人工遗传电路，以动态地、可塑性地控制细菌生长过程和材料生产过程中的不同理想表型，以提高利用微生物生产材料的效率。一般来说，如果在物质生产过程中维持过度的细菌细胞增殖和代谢活动，则目标物质的生产效率将会降低。特别是TCA循环消耗乙酰辅酶A，乙酰辅酶A是各种物质生产途径的起点，因此可以视为物质生产的直接竞争途径，同时也是细菌细胞生长必需的代谢途径，因此常规代谢工程使用常规方法不可能将该途径作为竞争途径去除。因此，我们在第一年构建了一个代谢拨动开关，通过添加诱导剂随时阻断TCA循环，将多余的代谢通量转化为物质生产途径的代谢通量。当他们将其应用于使用大肠杆菌生产异丙醇时，与传统方法相比，他们成功地将产量提高了 3.7 倍。在上述电路中，需要监测细菌细胞密度并在最佳时机添加诱导剂，以了解培养过程的进展。然而，为了监测实际发酵过程中的细菌细胞密度，需要进行间歇采样，这带来了无菌设备投资和防止采样污染的操作成本等问题。为了解决这些问题，需要构建培养过程中不需要人工引导操作的细胞自主控制和引导系统。因此，今年，我们重点关注群体感应（QS），这是一种细菌感知彼此细菌体密度并集体控制基因表达的系统，并人工改造了QS，构建了一种能够自主诱导目标基因表达的细胞密度传感器。在细胞密度下。通过将其集成到基因切换开关中，我们成功地感知细菌细胞密度并自主控制大肠杆菌的基因表达和代谢通量。