世界初の自動メタボローム解析システムを開発ー微生物の培養から試料採取~抽出までを一気通貫で自動化ー

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2026-10-20 神戸大学

神戸大学と島津製作所の共同研究グループは、微生物の培養から試料採取、代謝反応の停止、細胞回収、代謝物抽出、分析用プレートへの分注までを一貫して自動化する、世界初の自動メタボローム解析システムを開発した。細胞内の糖、アミノ酸、エネルギー関連物質などは数秒単位で変化するため、従来は試料採取後の処理時間のばらつきが測定精度を左右していた。新システムでは、設定時刻に培養液を自動採取し、冷却によって代謝反応を停止させた後、遠心分離や抽出などを実施する。カメラ、光学センサー、バーコードによる多重確認機構も備え、試料の取り違えや処理工程の異常を防ぐ。自動処理後の測定値のばらつきは平均8.8%で、分析装置自体の繰り返し測定における6.9%に近い再現性を達成した。4種類の大腸菌を時系列で解析した結果、増殖の様子が似ていても、菌株ごとに細胞内代謝の変化が異なることを確認した。本技術は、微生物を利用した化学品・有用物質の生産において、優れた菌株の選定や培養条件の最適化を迅速化する基盤となる。

世界初の自動メタボローム解析システムを開発ー微生物の培養から試料採取~抽出までを一気通貫で自動化ー
図1 開発した自動メタボローム解析システム
Tanaka et al., Analytical Chemistry(2026)のFigure 1を日本語化・改変。©田中謙也, CC BY

<関連情報>

高精度メタボロミクスのための自動クエンチングおよび抽出により、大腸菌系統 間で異なるメタボローム軌跡が明らかになる Automated Quenching and Extraction for High-Precision Metabolomics Uncovers Distinct Metabolome Trajectories across Escherichia coli Lineages

Kenya Tanaka;Takahiro Bamba;Musashi Takenaka;Yoshimi Hori;Takanobu Yoshida;Mami Matsuda;Akihiko Kondo;Yoshihiro Hayakawa;Tomohisa Hasunuma
Analytical Chemistry  Published:October 19, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.analchem.6c01820

Abstract

Quantitative microbial metabolomics requires rapid quenching and highly standardized extraction, yet these pre-analytical steps remain labor-intensive and difficult to reproduce, limiting time-resolved intracellular measurements under controlled bioreactor cultivation. Here, we present an integrated robotic platform that couples parallel fermenter operation with circulation-based sampling, immediate cold-alcohol quenching, automated refrigerated centrifugation, interface-aware supernatant removal, and solvent extraction with controlled heating and mixing, followed by plate-based storage for liquid chromatography–tandem mass spectrometry (LC–MS/MS). To benchmark the precision of the automated preparation module, we compared repeated LC–MS/MS measurements of a single extract with measurements of independently processed samples subjected to post-quench automated harvesting, extraction, and transfer. The analysis was restricted to 76 analytes consistently detected in all replicates of both datasets. The mean coefficients of variation increased from 6.92% for repeated LC–MS/MS measurements to 8.82% for automated preparation, corresponding to a modest increase of 1.90 percentage points. These results indicate that post-quench automated preparation introduces a small but measurable additional source of variability while maintaining mean analytical variation below 10%. We then performed time-course endo- and exometabolomics across four widely used Escherichia coli lineages (BW25113, BL21(DE3), W, and C). Principal component analysis resolved strain-specific trajectories throughout batch growth and revealed strain-specific metabolic phenotypes, including coordinated accumulation of sugar phosphates and 2-C-methyl-d-erythritol 4-phosphate (MEP) pathway intermediates in strain C, and comparatively high intracellular pools of branched-chain amino acids in strain W. This platform enables standardized and traceable automated preparation for dense, time-resolved metabolomics and provides directly measurable phenotypes for host selection and metabolic engineering.

生物化学工学
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