代謝ノイズの解析が新たなバイオ製造技術への道を開く(Exploring metabolic noise opens new paths to better biomanufacturing)

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2026-01-15 ワシントン大学セントルイス校

米国のワシントン大学セントルイス校の研究チームは、生体内代謝反応における「代謝ノイズ」が、バイオものづくり(バイオマニュファクチャリング)の効率を左右する重要因子であることを明らかにした。細胞内の代謝は一様ではなく、分子数の揺らぎや反応速度のばらつきによってノイズが生じるが、従来は平均的挙動のみが重視されてきた。本研究では、単一細胞レベルで代謝の揺らぎを解析し、ノイズが生産物量や安定性に大きく影響することを示した。さらに、代謝ノイズを制御・活用する設計指針を提示し、微生物による医薬品、化学品、バイオ燃料生産の高効率化につながる可能性を示している。本成果は、従来の代謝工学に新たな視点をもたらすものである。

代謝ノイズの解析が新たなバイオ製造技術への道を開く(Exploring metabolic noise opens new paths to better biomanufacturing)
WashU researchers track single cells to reveal enzyme copy number fluctuation as the main source of metabolic noise. (Photo: Alex Schmitz and Xinyue Mu)

<関連情報>

大腸菌におけるベタキサンチン生産増強のための単一細胞生合成ノイズとダイナミクスの探究 Exploring single-cell biosynthetic noise and dynamics for enhanced betaxanthin production in Escherichia coli

Xinyue Mu,Alexander C. Schmitz,Zhenya Ding,Wei Li,Abhyudai Singh & Fuzhong Zhang
Nature Communications  Published:21 December 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-67733-1 An unedited version of this manuscript 

Abstract

Cell-to-cell variability often limits the efficiency of microbial bioproduction, yet how individual cells fluctuate over time and how these fluctuations shape population-level output remain unclear. To address this issue, we tracked a heterologous betaxanthin pathway in Escherichia coli using microfluidics-assisted time-lapse microscopy, allowing simultaneous measurement of fluctuations in betaxanthin, its biosynthetic enzyme DOD and growth across generations. Here we show that over 50% of high betaxanthin producers become medium or low producers after two divisions. Betaxanthin variation primarily originates from DOD noise, with a smaller contribution from growth rate fluctuations. We further develop a stochastic model to explore various control circuits and find that pathway enzyme or metabolite-based growth selection strategies are most effective in enhancing production. We experimentally validate the model by coupling enzyme expression to nutrient availability, which enriches high producers and boosts titer by 4.4-fold. Our results highlight key sources of metabolic heterogeneity and provide a framework for designing robust microbial processes.

生物化学工学
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