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機械学習を用いたバクテリア生命システム進化の法則解明・未来予測・実験検証

Research Project

Project/Area Number 22KJ1008
Project/Area Number (Other) 22J20318 (2022)
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeMulti-year Fund (2023)
Single-year Grants (2022)
Section国内
Review Section Basic Section 45020:Evolutionary biology-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

今野 直輝  東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2023-03-08 – 2024-03-31
Project Status Discontinued (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
Keywords進化予測 / バクテリア / ゲノム進化 / 機械学習 / 遺伝子水平伝播 / 薬剤耐性
Outline of Research at the Start

本研究は生命システムの進化における系統間に普遍的なルールを発見し、医学・生物工学に応用することを目的とする。前年度までに確立した遺伝子獲得・欠失によるゲノム進化の予測手法Evodictorを活用して薬剤耐性遺伝子を未来に獲得する確率が高い種を予測しデータベース化する。同時に、その予測に寄与している情報を調べることで耐性遺伝子の獲得に先んじて獲得されやすい遺伝子を同定し、さらにその遺伝子をノックアウトした大腸菌株を用いて実際に薬剤耐性遺伝子を獲得しにくくなっているのかを実験検証する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、遺伝子獲得/欠失による生物の進化は予測できるのか、そしてその進化の予測をいかにして医学や生物工学の応用研究に活かせるのかを探求した。ド ライ解析とウェット実験を組み合わせ、次の3つの課題に取り組むことを目的とした:(1)ゲノム情報が豊富であるバクテリアを対象に、各遺伝子の獲得/欠失の予測を行う機械学習の手法の開発。 (2)薬剤耐性遺伝子の獲得の未来予測と、将来に耐性株が出現する危険性の高い種の解明。 (3)遺伝子獲得の未来予測と遺伝子導入実験の結果を比較による、進化のパターンの背後にあるメカニズムの実験的な検証。
我々は機械学習を用いて数億年以上にわたる原核生物の長期進化の過程における遺伝子獲得・欠失の順序のパターンを学習できる機 械学習フレームワークEvodictorを開発した。Evodictorはある遺伝子を獲得・欠失する際に、前もってどのような遺伝子を持っている・いない傾向があるのかを、数千種以上のゲノム情報をもとに学習し、次にある遺伝子を獲得・欠失しそうな種を予測することができる。Evodictorを用いて3000種程度のバクテリアのゲ ノム進化を解析し、代謝系全体の遺伝子獲得・欠失が有意に予測可能であること、そしてその背後には生理学的・生態学的に解釈可能な具体的な進化のルールが 存在することを発見した。これらの成果を論文として投稿し、”Machine learning enables prediction of metabolic system evolution in bacteria” (Konno and Iwasaki, 2023, Science Advances)として掲載されるに至った。
さらに遺伝子獲得の予測が可能である薬剤耐性遺伝子を絞り込むことで、特定の薬剤耐性遺伝子の獲得における普遍的な進化パターンを示唆した。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (17 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 3 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Machine learning enables prediction of metabolic system evolution in bacteria2023

    • Author(s)
      Konno Naoki、Iwasaki Wataru
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 9 Issue: 2

    • DOI

      10.1126/sciadv.adc9130

    • Related Report
      2023 Annual Research Report 2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Molecular recorders to track cellular events2022

    • Author(s)
      Masuyama Nanami、Konno Naoki、Yachie Nozomu
    • Journal Title

      Science

      Volume: 377 Issue: 6605 Pages: 469-470

    • DOI

      10.1126/science.abo3471

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 情報×代謝×構造生物学で明かす二機能性デヒドロゲナーゼの収斂進化と複合体構造の多様化2024

    • Author(s)
      今野直輝, 三宅敬太, 大前公保, 柳澤春明, 吉川雅英, 岩崎渉
    • Organizer
      第18回日本ゲノム微生物学会年会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Evolution-guided prediction and experimental validation of antibiotic resistance spreading.2024

    • Author(s)
      Naoki Konno, Wataru Iwasaki
    • Organizer
      生物普遍性ワークショップ
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Visualizing and delineating unobservable processes through massive DNA data - Cell Lineage and Evolution2023

    • Author(s)
      今野直輝
    • Organizer
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    • Related Report
      2023 Annual Research Report 2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Predicting gene gain/loss evolution based on repeating long-term evolution2023

    • Author(s)
      Naoki Konno, Wataru Iwasaki
    • Organizer
      日本進化学会第25回沖縄大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Machine learning predicts biological system evolution by gene gains and losses2023

    • Author(s)
      Naoki Konno, Wataru Iwasaki
    • Organizer
      STATPHYS28 Satellite Meeting
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Machine learning predicts biological system evolution by gene gains and losses2023

    • Author(s)
      Naoki Konno
    • Organizer
      RIKEN iTHEMSセミナー
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Machine learning predicts biological system evolution by gene gains and losses2023

    • Author(s)
      Naoki Konno
    • Organizer
      iSCB EvolCompGen Webinar
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      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] フルクトースリッチな環境の乳酸菌に見られるゲノム収斂進化の法則性2023

    • Author(s)
      今野直輝, 前野慎太朗, 谷沢靖洋, 有田正規, 遠藤明仁, 岩崎渉
    • Organizer
      第17回日本ゲノム微生物学会年会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Predicting biological system evolution by gene gain and loss using Evodictor2023

    • Author(s)
      Naoki Konno, Wataru Iwasaki
    • Organizer
      EMBO Workshop Predicting evolution
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 機械学習モデルが学んだ進化のパターンを実験室で証明する2023

    • Author(s)
      今野直輝, 岩崎渉.
    • Organizer
      生命情報科学若手の会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] フルクトースリッチな環境の乳酸菌に見られるゲノム収斂進化の法則性2023

    • Author(s)
      今野直輝
    • Organizer
      第17回日本ゲノム微生物学会年会
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      2022 Annual Research Report
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    • Author(s)
      今野直輝
    • Organizer
      2022年日本バイオインフォマティクス学会年会/第11回生命医薬情報学連合大会
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      2022 Annual Research Report
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    • Author(s)
      今野直輝
    • Organizer
      生命情報科学若手の会第14回研究会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Evodictor: Prediction of prokaryotic gene gain/loss evolution2022

    • Author(s)
      今野直輝
    • Organizer
      Congress of the Europian Society for Evolutionary Biology 2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] Evodictor ソフトウェア公開用GitHub

    • URL

      https://github.com/IwasakiLab/Evodictor

    • Related Report
      2023 Annual Research Report

URL: 

Published: 2022-04-28   Modified: 2024-12-25  

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