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Development of nucleic acid extraction-free microbial analysis technology that can be used rapidly onsite

Research Project

Project/Area Number 21K04328
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 22060:Environmental systems for civil engineering-related
Research InstitutionNagaoka National College of Technology

Principal Investigator

Kawakami Shuji  長岡工業高等専門学校, 環境都市工学科, 准教授 (00610461)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Keywords環境微生物 / aptamer / シングルセル / 深層学習 / 細菌定量 / real-time PCR / シングルセル解析 / アプタマー / 遺伝子工学的手法 / 排水処理工学
Outline of Research at the Start

排水処理工学の分野においても様々な水質センサーが開発され、瞬時にシステム内の水質 状況が把握できるようになってきた。こうした背景の中、システムの AI 化や IoT 化の流れは 加速しており、微生物情報を迅速に得るための微生物センサーの開発も望まれる。しかし、 微生物解析手法の多くは核酸抽出を必要とする遺伝子工学的手法であり、結果を得るのに最 低でも一日はかかることから有用な微生物センサーは今のところない。本研究では、この 「核酸抽出の壁」を越えるべく、細胞壁の外側で微生物同定が可能な DNA アプタマーとこれまでの既存の遺伝子工学的手法を組み合わせた新規の微生物解析手法を開発する。

Outline of Final Research Achievements

With the aim of developing a technique for detecting microorganisms without the need for DNA extraction, this study examined the results of real-time PCR measurements of the number of aptamers bound to bacterial samples prepared by step dilution and with different numbers of bacteria present. The experimental results showed that there was a correlation between the initial bacterial abundance and the amount of aptamer, indicating the possibility of quantifying the number of bacteria. In addition, all samples showed a faster amplification rise compared to the amplification curve when targeting conventional genes, indicating the possibility of detection with higher sensitivity than conventional gene quantification methods

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

特定の微生物を定量する方法としてreal-time PCR法があるが, real-time PCR法は, DNAの数を計測できる技術であり,標的とする微生物のDNAを抽出後,標的遺伝子をPCR法で増幅させ,その増幅の速度からもとの試料中の微生物数を算出する手法である.しかしながら,DNAの抽出に専門的な知識や,コンタミネーションを防ぐクリーンな実験室の施設を必要とすることから,屋外等の現場レベルでの作業が困難という問題点がある.本研究はDNA抽出不要の微生物定量技術を提案するものであり、これら課題を解決できる可能性がある。

Report

(4 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (7 results)

All 2024 2023

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (4 results)

  • [Journal Article] 異なる溶存酸素条件が複合微生物系における好気性脱窒細菌群に与える影響2023

    • Author(s)
      上村光輝 , 川上周司 , 押木守 , 青木仁孝 , 土田勝範 , 渡利高大 , 荒木信夫
    • Journal Title

      土木学会論文集

      Volume: 79 Pages: 23-25034

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Quantitative detection and reduction of potentially pathogenic bacterial groups of Aeromonas, Arcobacter, Klebsiella pneumoniae species complex, and Mycobacterium in wastewater treatment facilities2023

    • Author(s)
      Masataka Aoki , Yasuyuki Takemura , Shuji Kawakami , Wilasinee Yoochatchaval , Thao Tran P , Noriko Tomioka , Yoshitaka Ebie , Kazuaki Syutsubo
    • Journal Title

      PLoS ONE

      Volume: 18

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] USB反応槽による電子産業排水を想定した脱窒処理2023

    • Author(s)
      角野晴彦 , 河村将和 , 川上周司 , 竹村泰幸 , 珠坪一晃
    • Journal Title

      用水と廃水

      Volume: 65 Pages: 39-47

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 多重染色 FISH 法を用いた Comammox 細菌の視覚的検出2024

    • Author(s)
      山田灯乃助 , 川上周司 , 渡利高大 , 松浦哲久
    • Organizer
      第58回日本水環境学会年会講演集
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 深層学習による河川から取得可能なデータを用いた BOD 予測技術の開発2024

    • Author(s)
      藤田祐樹 , 川上周司 , 新部陽向
    • Organizer
      第58回日本水環境学会年会講演集
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 活性汚泥に生息する従属栄養硝化-好気性脱窒細菌の特定2024

    • Author(s)
      上村光輝 , 山本和佳奈 , 川上周司 , 渡利高大 , 押木守 , 青木仁孝 , 荒木信夫
    • Organizer
      第58回日本水環境学会年会講演集
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] DNA aptamerを用いたDNA抽出不要の微生物定量技術の開発2023

    • Author(s)
      小林勇貴、関口未来莉、川上周司、渡利高大、山口隆司、幡本将史
    • Organizer
      第57回日本水環境学会年会
    • Related Report
      2022 Research-status Report

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Published: 2021-04-28   Modified: 2025-01-30  

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