JP4418793B2 - 遺伝子ノックアウト戦略を決定する方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2002年7月10日に出願された米国特許出願番号第60/395,763(特許文献1)、2002年10月9日に出願された米国特許出願番号第60/417,511(特許文献2)、及び2003年2月3日に出願された米国特許出願番号第60/444,933(特許文献3)に基づくものであり、これらはそれぞれ、参照によりその全体が本明細書にインコーポレートされる。
本研究は、研究助成金番号第58855によるエネルギー省の支援、及びナショナル・サイエンス・ファウンデーション研究助成金番号第BES0120277の支援を受けた。従って、米国政府が本発明に一定の権利を有しうる。
化学物質や生化学物質の製造を最適化するための遺伝子操作された微生物株の体系的な開発は、バイオテクノロジーにおける何よりも重要な挑戦である。代謝のゲノム規模モデルの出現は、過剰生産につながる遺伝子操作を提案する計算法の開発の礎を築いた。本発明は、大腸菌中で化学物質又は生化学物質の過剰生産をもたらす遺伝子欠失戦略を提案する計算枠組みについて述べる。これは、増殖資源(即ち、炭素、酸化還元電位、及びエネルギー)に向かう排出が、化学量論により所望の産物の製造を伴うことを確実にすることにより達成される。具体的には、この計算枠組みは、前提の細胞目標(例えば、バイオマス形成)を外部から課せられた化合物生産目標と最大限に結び付ける遺伝子欠失の複数の組合せを同定する。この入れ子構造(nested structure) は二段階最適化の問題を発生させ、それは双対理論 (duality theory) から発想を得たトランスフォーメーションに基づいて解決される。バイオマス形成と化合物生産を結合させることによるこの枠組みのこの手順は、過剰生産する突然変異体を間接的に進化させる増殖選択/適応システムを提案するものである。
代謝物の集合
及びグルコース基質により燃料補給される代謝反応の集合
を含む、定常状態の代謝ネットワークのための反応フラックス集合体として定量化された細胞目標の最大化は、次のように数式で表される。
はバイオマス生産の最小レベルである。ベクターvは内部反応と輸送反応の両方を含む。前(即ち、正)方向の輸送フラックスはある特定の代謝物の取り込みに相当し、逆(即ち、負)方向のものは代謝物の分泌に相当する。ホスホトランスフェラーゼシステムとグルコキナーゼによるグルコース取り込みは、それぞれvpts及びvglkで表される。ネットワークからの分泌しかできない代謝物の輸送フラックスは、 Msecr-only の構成要素である。反応の完全な集合 Mは、可逆性の Mrev 反応と非可逆性の Mirrev 反応にさらに分割できることにも注意されたい。細胞目標は、バイオマス形成に必要な割合での生合成前駆体の排出であると仮定されることが多い(ナイトハルトとカーティス,1996)。このフラックスはバイオマス形成が生産されたバイオマス(g)/gDW・時、又は1/時として表されるように、1gDW・時当たりで報告される。
バイオマスの最大化がフラックス割当ての良い記述子である場合は常に、残りのネットワークがコハク酸又は乳酸を生産するとすれば、大腸菌K−12化学量論モデル(エドワードとパールソン,2000)から除外できる反応が、もしあるとすれば、どの反応であるのかを特定した。無機リン酸、酸素、硫酸、及びアンモニアの無制限取り込み経路と共に事前に特定した量のグルコース(10mmol/gDW・時間)をこの代謝ネットワークに燃料として供給する。最適化の工程は、ホスホトランスフェラーゼ系、グルコキナーゼ、又はグルコース取り込みの両方の機構を選択若しくは選択除去することができるであろう。酢酸、二酸化炭素、エタノール、ギ酸、乳酸、及びコハク酸の分泌経路も使用可能である。グルコース取り込み速度は固定されているため、バイオマス収量及び生産物収量は、本質的にはそれぞれバイオマス生産速度及び生産物生産速度に等しいことに注意されたい。どんな場合でも、OptKnock法は酸素取り込み反応を排除して、現在のコハク酸(ツァイクスら,1999)及び乳酸(ダッタら,1995)の発酵生産戦略と一致する嫌気的な増殖条件を指し示す。
OptKnock により特定された様々な遺伝子ノックアウト戦略に対するバイオマス収量と化合物収量。それぞれのノックアウト戦略の反応に対応する酵素をリストに挙げる。最大バイオマス収量に対応する最大の化合物収量は10mmol/時のグルコース投与と1gDWの細胞を基準にして示す。右端の縦列は、野生型(無欠失)大腸菌ネットワークからの代謝フラックスの最小再分配を仮定(MOMA仮説)して同じ基準に基づいた化合物収量を示すものである。1,3−プロパンジオールの事例については、グリセロール分泌は両方のノックアウト戦略で使用できなかった。
最適な遺伝子ノックアウト戦略の発明に加えて、OptKnockは大腸菌でのPDO生産におけるような遺伝子欠失と共に遺伝子付加が必要な菌株を設計するために用いられた。微生物による1,3−プロパンジオール(PDO)の製造法は、グリセロールを第一炭素源として利用して開発されたが(ハートレップら,2002、チューら,2002)、1,3−プロパンジオールを単一の微生物でグルコースから直接製造することは、最近かなりの注目を集めた(キャメロンら,1998、ビーブルら,1999、ツェングとビーブル,2002)。野生型大腸菌ではPDO生産に必要な経路が欠けているため、まず遺伝子付加枠組みを使用して大腸菌でグルコースからPDOを生産するのに必要な付加反応を同定した。この遺伝子付加枠組みは、グリセロール・ホスファターゼによりグリセロール−3−Pをグリセロールへ転換し、次いでグリセロール・デヒドラターゼと1,3−プロパンジオール・オキシドレダクターゼによってグリセロールを1,3プロパンジオールに転換する工程を含む、直接3段反応経路を同定した。これらの反応はついで、大腸菌の化学量論モデルに加えられ、続いてOptKnock法が適用された。
上に記した結果は全て、フラックス割当てを駆動する細胞目標としてバイオマス収量の最大化を呼び出すことにより得たものである。この仮説は、本質的には、代謝ネットワークが変化する環境的条件の下でバイオマス収量の最大性を維持する(最大応答)ため、調節ループを任意に変更及び/又は修正することすらできるということを想定している。最近の証拠は、複数サイクルの増殖選択の後にこれが大腸菌のK−12菌株により時々達成されるということを示唆している(イバラら,2002)。このセクションでは、遺伝子欠失に対する代謝ネットワークの近視眼的な(最小の)応答を想定した対照的な仮説(即ち、代謝調節の最小化(MOMA)(セグレら,2002))を検討した。MOMA仮説は特に、代謝ネットワークが遺伝子欠失(単数又は複数)により到達できなくさせられたシステムの本来の定常状態にできるだけ近い状態に留まろうと努力すると提案する。この仮説では、遺伝子欠失事象の直後のフラックス分配をより正確に描写できることが分かっている(セグレら,2002)。図6は、二つの仮説によって予測される二つの異なる新たな定常状態をそれぞれ図で表している。この研究のため、MOMA目標を利用してOptKnockによって同定した突然変異菌株におけるフラックス分配を予測した。乳酸及びコハク酸のシミュレーションの基本事例は嫌気的条件下における最大バイオマス形成であり、一方PDOシミュレーションの基本事例では好気的条件下における最大バイオマス形成であると仮定した。その結果を表Iの最終縦列に示す。全ての場合に、提案した複数遺伝子ノックアウト戦略は、最大バイオマス仮説と比べると、MOMA事例に対する化合物生産収量がわずかに低いだけであることを示唆している。これは、OptKnockの結果が細胞目標の選択に関して、かなりエラーに強いことを意味している。
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Claims (18)
- 生物に関連する代謝ネットワークのモデルを用いて遺伝子欠失の候補を決定する方法であって、該モデルが代謝物の関連性を規定する複数の代謝反応を含むものであり、入力手段、演算手段及び出力手段を有するコンピュータにデータが入力されるとともに当該コンピュータにおいて各工程が実行され、該方法が、
上記入力手段が該生物のための生物工学的目標を選択する工程、ここで生物工学的目標は該選択された生物工学的目標のなかに含まれる1以上の反応に関するフラックスを含み、
上記入力手段がなくとも一つの細胞目標を選択する工程、ここで細胞目標は該選択された細胞目標のなかに含まれる1以上の反応に関するフラックスを含み、
上記演算手段がOptKnock演算を実行することで、少なくとも一つの細胞目標の最適化と生物工学的目標の最適化とを含む2つの競合する最適化問題を結び付ける二階層最適化問題を形成する工程、
上記演算手段が、上記細胞目標を最大化するための二重の最適化問題の値と実質的に類似する第1の最適化問題の値を決定し、そして、上記細胞目標の最大化のための得られた値において上記生物工学的目標の最大化することによって、最適化問題を解いて少なくとも一つの候補を得る工程、及び
上記出力手段が当該少なくとも一つの候補を出力する工程を含む方法。 - 上記生物工学的目標が化学物質の過剰生産である、請求項1に記載の方法。
- 上記生物工学的目標が化学物質の低生産である、請求項1に記載の方法。
- 上記細胞目標が増殖である、請求項1に記載の方法。
- 上記細胞目標が代謝調節の最小化である、請求項1に記載の方法。
- 該候補が遺伝子欠失の候補であり、最適化問題が反応フラックスが活性であるか不活性であるかを特定する2値を含むものである、請求項1に記載の方法。
- 上記最適化問題が混合整数最適化(a mixed-integer optimization) 問題である、請求項1に記載の方法。
- 上記最適化問題が少なくとも一つの化学量論的な制約を含むものである、請求項1に記載の方法。
- 上記最適化問題が少なくとも一つの化合物取り込み制約を含むものである、請求項1に記載の方法。
- 上記最適化問題を形成する工程が、細胞目標を反応フラックス集合体として定量化する工程を含むものである、請求項1に記載の方法。
- 上記演算手段が、少なくとも一つの細胞目標を満たすネットワークの能力に基づき、少なくとも一つの候補を用いて代謝ネットワークの性能限界を評価する工程をさらに含むものである、請求項1に記載の方法。
- 上記細胞目標が、増殖速度の最大化、ATP生産の最大化、代謝調節の最小化、栄養物取り込みの最小化、酸化還元生産の最小化、ユークリッド・ノルムの最小化、及びこれらの組合せから成る群より選択されるものである、請求項1に記載の方法。
- 上記生物工学的目標がグリセロールの過剰生産であり、少なくとも一つの候補がフルクトース−1,6−ビスホスファターゼ、フルクトース−1,6−ビスリン酸アルドラーゼ、ホスホグリセリン酸キナーゼ、グリセルアルデヒド−3−リン酸デヒドロゲナーゼ、ホスホエノールピルビン酸シンターゼ、NADHデヒドロゲナーゼI、ホスホグルコン酸デヒドラターゼ、2−ケト−3−デオキシ−6−ホスホグルコン酸アルドラーゼ、トリオースリン酸イソメラーゼ、グルコース6−リン酸−1−デヒドロゲナーゼ、6−ホスホグルコノラクトナーゼ、デオキシリボース−リン酸アルドラーゼ、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、又はそれらの組合せなどの酵素をコードする遺伝子含む遺伝子の欠失の候補である、請求項1に記載の方法。
- 上記生物工学的目標が1,3−プロパンジオールの過剰生産であり、少なくとも一つの候補がフルクトース−1,6−ビスホスファターゼ、フルクトース−1,6−ビスリン酸アルドラーゼ、ホスホグリセリン酸キナーゼ、グリセルアルデヒド−3−リン酸デヒドロゲナーゼ、トリオースリン酸イソメラーゼ、グルコース6−リン酸−1−デヒドロゲナーゼ、6−ホスホグルコノラクトナーゼ、デオキシリボース−リン酸アルドラーゼ、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、又はそれらの組合せなどの酵素をコードする遺伝子を含む遺伝子の欠失の候補である、請求項1に記載の方法。
- 上記生物工学的目標がコハク酸の過剰生産であり、少なくとも一つの候補がピルビン酸ギ酸リアーゼ、アセトアルデヒド・デヒドロゲナーゼ、ピルビン酸キナーゼ、FOF1−ATPアーゼ、NADHデヒドロゲナーゼI、フマラーゼ、D−乳酸デヒドロゲナーゼ、ピリジンヌクレオチドトランスヒドロゲナーゼ、ホスホトランスアセチラーゼ、酢酸キナーゼ、ホスホトランスフェラーゼ、又はそれらの組合せなどの酵素をコードする遺伝子を含む遺伝子の欠失の候補である、請求項1に記載の方法。
- 上記生物工学的目標が乳酸の過剰生産であり、少なくとも一つの候補がホスホトランスアセチラーゼ、酢酸キナーゼ、ホスホフルクトキナーゼ、フルクトース−1,6−ビスリン酸アルドラーゼ、トリオースリン酸イソメラーゼ、アセトアルデヒド・デヒドロゲナーゼ、グルコキナーゼ、又はそれらの組合せなどの酵素をコードする遺伝子を含む遺伝子の欠失の候補である、請求項1に記載の方法。
- 生物に関連する代謝ネットワークのモデルを用いて遺伝子欠失の候補を決定するための、入力手段、演算手段及び出力手段を有するコンピュータに基づく方法であって、該モデルが代謝物の関連性を規定する複数の代謝反応を含むものであり、該方法が、
上記入力手段が少なくとも一つの生物工学的目標を入力する工程、ここで生物工学的目標は該生物工学的目標のなかに含まれる1以上の反応に関するフラックスを含み、
上記入力手段が入力として少なくとも一つの細胞目標を受け取る工程、ここで細胞目標は該細胞目標のなかに含まれる1以上の反応に関するフラックスを含み、
上記演算手段が反応フラックス集合体として細胞目標を定量化し、少なくとも一つの細胞目標の最適化と生物工学的目標の最適化とを含む2つの競合する最適化問題を結び付ける二階層最適化問題を形成する工程、
上記演算手段が、上記細胞目標を最大化するための二重の最適化問題の値と実質的に類似する第1の最適化問題の値を決定し、そして、上記細胞目標の最大化のための得られた値において上記生物工学的目標の最大化することによって、この最適化問題を解いて少なくとも一つの候補を得る工程、及び
上記出力手段が少なくとも一つの候補を出力する工程を含む方法。 - 上記最適化問題を解くことで、少なくとも1つの遺伝子付加の候補を得る、請求項1に記載の方法。
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