Structural and Functional Whole-Cell Project of Thermus thermophilus HB8Seiki Kuramitsu
Department of Biology, Graduate School of Science, Osaka University
1-1 Machikaneyama-cho Toyonaka, Osaka 560-0043, Japan
Tel: +81-6-6850-5433, FAX: +81-6-6850-5442
E-mail: kuramitu@bio.sci.osaka-u.ac.jp(Received 8 September 2004 Accepted 15 September 2004)

Abstract
One of the long-range goals of structural and functional genomics is the interpretation of all
fundamental biological phenomena at the atomic level.

We expected to accomplish this by identifying thestructure and function of all biological molecules making up the human body.

However, Homo sapiens

contains more than 30,000 proteins, and these proteins are rather unstable for structural and functional analyses.
It is estimated that the minimum gene set essential for a free living organism is about 1,000.
living in extreme environments often have approximately this number of genes.

Microorganisms

Therefore, in 1995 (Kuramitsuet al. (1995) Protein Eng. 8, 964-964; Yokoyama et al. (2000) Nature Struct. Biol. 7, 943-945;
http://www.thermos.org), we proposed that one such organism should be selected and an attempt made tounderstand the mechanisms of all the biological phenomena occurring in it by investigating the components’molecular functions at the atomic level on the basis of their three-dimensional structures.

The organism had tobe selected on the basis of two criteria: (a) the organism has a “gene manipulating system”, and (b) it is “themost thermophilic” organism among organisms that meet criterion (a).

These criteria led us to select theextreme thermophile Thermus thermophilus HB8, which is a Gram-negative eubacterium about 5 µm in lengthand capable of growing at 85˚C.
Thermus thermophilus HB8."

We named the project "The Structural and Functional Whole-Cell Project forThis project is intended to be carried out in four steps: (1) structural genomics

step; (2) functional genomics step; (3) detailed analysis step of each molecule; and (4) system biology step(simulation of whole biological phenomena).

This “Structural and Functional Whole-Cell Project” represents

the first step toward the “atomic biology” of the 21st century, following on the heels of the “molecular biology”
that characterized the 20th century.

Key words: structural genomics, functional genomics, extreme thermophile, Thermus thermophilus HB8,
system biology, atomic biology

Viva Origino 32 (2004) 169-172© 2004 by SSOEL Japan- 169 -Viva Origino 32 (2004) 169-172

高度好熱菌丸ごと一匹プロジェクト
Structural and Functional Whole-Cell Project of Thermus thermophilus HB8
倉光成紀（大阪大学大学院理学研究科）〒560-0043 大阪府 豊中市 待兼山町 1-1
大阪大学 大学院 理学研究科 生物科学専攻
Tel.：06-6850-5433,

FAX：06-6850-5442

e-mail： kuramitu@bio.sci.osaka-u.ac.jp

はじめには、(a) タンパク質の耐熱性が高く、立体構造解あらゆる生物に共通で、基本的な、一つの細析や分子機能解析などにも適しているためと、胞全体の全生命現象を、原子レベル（物理化学(b) そのゲノムサイズは約２Mbp と小さいが、的レベル）で理解することを目指しているのがヒトを含めたあらゆる生物に共通で基本的な生「高度好熱菌 丸ごと一匹 プロジェクト」

命現象がこれまでの進化の過程で "濃縮" され（http://www.thermus.org）である。その目的に最ているので、全生物の基本的生命現象の解明にも適したモデル生物として、(1) 遺伝子操作系はもっとも適した生物であると考えたためであが存在する生物の中で、(2) 最も高温で生息する［1-4］。その最終目標を達成するまでに、研る、という２つの条件を満たす高度好熱菌

究は以下の４段階で進行すると考えている（Fig.

Thermus thermophilus HB8 を選んだ。その理由

1）。

Fig. 1

高度好熱菌 丸ごと一匹プロジェクトの進行- 170 -Viva Origino 32 (2004) 169-172研究段階の概要類（全体の 89％）について作製し、タンパク質(1) 第１段階 は、ゲノムワイドにタンパク質の精製が完了したタンパク質は約 800 種類、結晶立体構造解析を行うステップで、立体構造解析化まで進行したタンパク質は 460 種類、立体構の理解に最低限必要な分子機能を解析も含む。

造解析が完了したタンパク質は約 180 種類であ

そのためにまず、T. thermophilus HB8 のゲノ
ム解析を行ったところ、そのゲノムサイズは約る。立体構造解析によって、機能未知タンパク質の機能が推定される場合も多い。

２Mbp で、約 2200 種類のタンパク質をコード

この立体構造解析の段階は、多くの研究者のしていた。コードされていたタンパク質につい協力により、順調に進展しつつある（Fig. 2）［1］。ては、本高度好熱菌がグラム陰性であるにもか(2) 第２段階 は、 ゲノムワイドにタンパク質かわらず、グラム陽性の生物種のタンパク質との機能を解析するステップ である。この段階での相同性が高かった他、多くの生物種のタンパは、mRNA の発現（トランスクリプトーム）、ク質と広く相同性が認められた。これらの結果

タンパク質の発現（プロテオーム）、代謝生成物

は、進化上、好熱菌が生命の起原により近くにの増減（メタボローム）、分子間相互作用（イン位置するという説を支持するように思われる。

ターラクトーム）、遺伝子破壊株や温度感受性株

ゲノム解析の結果をもとにして、現時点までの表現型（フェノーム）などの解析データを系に、タンパク質量産用のプラスミドを、1960 種統的に収集する。遺伝子破壊株やトランスクリFig. 2

系統的蛋白質立体構造解析の進行状況- 171 -

Viva Origino 32 (2004) 169-172

プトーム解析は、T. thermophilus HB8 の機能未学の学問基盤が整備でき、シミュレーションが知タンパク質の機能同定に際して、第１段階の生命現象の単なる説明ではなく、生命現象を予立体構造解析とともに、威力を発揮している。(3)測できる段階に達すれば、「我々人類は、生命第３段階 は、ゲノムワイドな研究が始まる遥か現象を理解できた」と言える時代に一歩近くこ以前から、各研究者によって行われてきた “各とになる。ヒトなどの場合には、さらに、組織論的” 分子機能解析 を含んでいる。この段階でレベル、個体レベルでの理解が必要となります

は、新規な分子・細胞機能解析法を開発しつつ、が、高度好熱菌研究を利用した学問基盤の整備第４段階に必要な各論的データを系統的に収集によって、ヒトの病気の治療や予防なども大きすることが必要となる。

く様変わりすると期待される。

さらにこの第３段階では、タンパク質のみならず、すべての生体成分の物性を 研究者間で共我々の「高度好熱菌 丸ごと一匹 プロジェク通した一定の条件下で解析し、それら「どのよト」（http://www.thermus.org）では、上記の第１うな構造をした、どのような機能をもった」生〜第２段階を行うとともに、第３、第４段階に体分子が「細胞内のどの場所に」「どれだけの携わる多くの研究者へ、種々のサンプルや情報分子数」存在するかなどを調べるとともに、そ等に関する支援も行っている。

れらの「時間依存性」をも調べる必要がある。
(4) 第４段階 は、第３段階までの膨大な情報を、引用文献：

グリッドコンピューターの技術なども駆使して[1] 倉光成紀、増井良治、中川紀子、生物学が統合し、細胞全体を原子レベルで理解するため変わる！に、シミュレーション結果と比較しつつ研究を大阪大学出版会、大阪、2004．

ポストゲノム時代の原始生物学、進めることになる（システム生物学）。そして、[2] Kuramitsu, S., Kawaguchi, S., and Hiramatsu,Y.

単なる説明ではなく、予測可能なシステム生物

Database of heat-stable proteins from Thermus

学を目指す ことになる。そのためには、例えば、

thermophilus HB8, Protein Eng. 8, 964-964

高濃度で不均一な細胞内生体分子を理解するた(1995).

めの学問領域のように、新たな学問基盤の確立[3] 倉光成紀、河口真一、好熱菌丸ごと一匹プも必要となってくる。そのような学問基盤は、ロジェクト、バイオサイエンスとインダス

ヒトを含めたあらゆる生物の研究にとっても不トリー, 54,バイオインダストリー協会、東京，可欠であるとる。

pp.644-646, 1996.

また、そのような研究過程を通して、ヒトを[4] Yokoyama, S., Hirota, H., Kigawa, T., Yabuki, T.,

含めたあらゆる生物に共通で、基本的生命現象

Shirouzu, M., Terada, T., Ito, Y., Matsuo, Y.,に関与する 機能未知タンパク質（遺伝子）数百

Kuroda, Y., Nishimura, Y., Kyogoku, Y., Miki, K.,

種類の機能解明が期待される。

Masui,R.,

andKuramitsu,S.

Structuralgenomics projects in Japan, Nature Struct. Biol.
おわりに7, 943-945 (2000).

このようにして、高度好熱菌でシステム生物- 172-