応用分子微生物学研究グループ【生物プロセス研究部門】

応用分子微生物学研究グループ

研究内容

 微生物を高機能化し多目的な用途に使用するためには、多様な外的環境に適応して利用可能な微生物を宿主として選択し、細胞内に機能を付与するタンパク質を大量に蓄積させる技術を開発する必要があります。そこで私たちは、宿主の候補として放線菌Rhodococcus erythropolis(ロドコッカス・エリスロポリス)を取り上げ、研究開発に取り組んでいます。同時に、汎用宿主として知られている微生物(大腸菌など)を利用しながら技術開発に向けた基盤情報の取得を目指した取り組みも行っています。

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 Rhodococcus属細菌は、高GC含量のゲノムをもつグラム陽性菌で、有機溶媒耐性をもち、脂肪族、芳香族および複素環式化合物などを変換する生体触媒活性も強い細菌です。特に私たちが使用しているR. erythropolis細菌は、4-35度という広範囲な温度域で増殖可能であるという特徴も併せ持ち、これまで使用されている汎用型の宿主とは大きく異なる表現型を有する細菌です。 このことから、世界的にもRhodococcus属細菌は次世代宿主候補として宿主-ベクター系の開発が期待されていますが、汎用型の宿主-ベクター系として利用できる状況には至っておらず 研究開発の必要な菌でもあります。

 以下に、Rhodococcus属細菌並びに大腸菌や麹菌を宿主とした物質生産系を目指した各種技術開発について当研究グループの研究内容について記します。

1.放線菌を多目的用途に利用可能な発現プラットフォームとする技術の開発

 Rhodococcus erythropolis細菌を宿主として発現プラットフォームとして利用できれば、既存の宿主—ベクター系では実現が困難な新たな反応系・反応場あるいは生産系の構築が期待できます。そのため私たちは、各種発現ベクターに加えトランスポゾンベクター等を含めた遺伝学的手法による、細胞の機能改変技術を開発しています。実際には、タンパク質生産系(発現系)と分解系の制御による宿主細胞内のタンパク質蓄積効率を制御する技術開発や、宿主細胞の細胞壁の機能解析や改変を行い、タンパク質生産のみならず化成品生産に向けた物質変換や環境汚染物質の分解を目指したバイオリメディエーションへの利用等幅広い用途に使用可能なプラットフォームの開発を行っています。

2.大腸菌による「ものつくり」技術の開発

 大腸菌は最も研究が進んでいる微生物で、扱いも容易なことから、様々な有用物質を作る宿主として頻繁に用いられています。私たちは、独自の技術としてアンチセンスRNAによる合理的な代謝経路改変技術、高価な遺伝子発現誘導剤や抗生物質を要しない異種遺伝子発現技術(BICES; Biomass Inducible Chromosome-based Expression System)を有しており、これらによって大腸菌の代謝経路を書き換え、様々な有用物質を作ることに成功しています(メンバーの中島信孝主任研究員のページへ )。有用物質の例として、アセトイン、2,3ブタンジオール、ピルビン酸、イソブタノールなどを生産することに成功しています。

3.麹菌による「ものつくり」技術の開発

 麹菌Aspergillus oryzaeは酵素生産の能力が本来高く、しかもヒトに有害な物質を作らずに安全なことから、日本酒・味噌・しょうゆ等の醸造に日本古来使われてきました。また、真核微生物(カビ)であることから細胞内小器官が存在しているため、動物や植物等の様々な生物の遺伝子の異種発現に好適です。この麹菌の優れた特性を活用して、医薬品等に利用が期待される二次代謝物質や脂質などの有用物質を効率的に生産する技術開発に挑戦しています。

4.微生物の増殖に影響を及ぼす物質の探索と機能解析

 これまでに微生物が生産する様々な有用物質が発見され利用されてきましたが、ロドコッカス属細菌においては最近の私たちの研究で、抗菌物質を含む高い二次代謝産物合成能を有することを初めて明らかにしました。二次代謝産物生産菌としてはほとんど研究されてこなかった本属細菌からは数多くの新規有用物質の発見が期待されます。現在数種の新規抗菌物質とその機能および生合成遺伝子について解析を進めています。

5.稀少な環境微生物群の資源化

 環境微生物の多くは、今なお実験室内で容易に培養されていません。近年の大規模シークエンス技術の発展と普及により、未培養微生物の系統的多様性が明らかになってきたものの、それら微生物の深遠なる機能的多様性についてはほとんど理解されていないのが現状です。私たちは未利用微生物を豊富に内包する環境・生態系に着目し、培養頻度のきわめて少ない稀少微生物群の実態と生理生態機能の解明を図り、バイオものづくりに資するシーズの構築を目指します。また、分離微生物の多目的利用を目指したプラットフォーム開発も視野に入れて研究を展開します。

6.種間相互作用に基づいた微生物新規機能の探索および適応進化動態の解析

 自然環境中の微生物は周囲の他の種類の微生物たちと互いに助け合ったり(協力関係)排除し合ったり(競合関係)しながら共存しています。このような異種との関係性(相互作用)はそれぞれの微生物の挙動に大きな影響を及ぼすことが知られていますが、従来の微生物学では純粋培養した一種類の微生物を詳しく調べる研究が主流であり、他の種との相互作用が遺伝子発現や適応進化過程を変化させるメカニズムについては未知の部分が多く残されています。我々は実験室内で複数の微生物を混合培養し、それぞれの種の生理や遺伝子発現プロファイルを単独存在時と比較解析することで、多種多様な種間相互作用の作用・応答機構を解明するとともに、相互作用によって誘導される新規微生物機能の探索を進めています。また、種間相互作用が微生物の適応進化動態を変化させる現象についても解析をおこない、病原菌の薬剤耐性化などの重要な進化現象における相互作用の寄与やその機構を明らかにすることで、耐性菌の出現・拡大の防除に向けた基盤的知見を得ることを目指しています。

7.有用機能酵素の高機能化に向けた技術開発

 微生物を用いた高効率な物質生産やバイオリメディエーション等を目指した高機能化細胞の構築には、宿主細胞内に機能タンパク質を高濃度蓄積させる技術も重要ですが、その反応を担う酵素の機能改良もしくは高活性化が必須の課題となります。発現させる機能酵素に対してその機能を高度化することで、タンパク質発現量を上げることなく超高機能化細胞の構築が可能になるかもしれません。例えば、酵素活性が10倍高くなった改変型酵素を開発・発現することが 出来れば、対酵素活性で考えると発現する酵素量は改変前の酵素に比べて1/10で済みます。また、基質特異性や細胞内安定性を改変することで、反応の特異性や長時間にわたる反応などの効率を 飛躍的に高めることが可能になります。このようなことから、結晶構造解析を用いてタンパク質の原子レベルでの機能発現原理を調べ、その情報を基に更なる分子レベルでの解析を行うことにより、機能タンパク質の機能改変・改良にむけた基盤技術の開発を進めています。


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