Development of Epigenomics Single-Molecule Quantum Measurement Method

• Project/Area Number: 23K21064
• Project/Area Number (Other): 21H01741 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 28010:Nanometer-scale chemistry-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 大城 敬人 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (10462665)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2025: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2024: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2023: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2021: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
• Keywords: エピオミクス / 1分子計測 / ナノデバイス / マイクロRNA / 人工知能 / １分子 / 核酸塩基 / アミノ酸 / 機械学習 / １分子計測 / 生体高分子 / トンネル現象 / DNA / RNA

Outline of Research at the Start

本研究は、エピオミクスの学理を確立し、1分子レベルで生体分子の分子修飾やダメージを把握することを目指す。疾病や環境変化に伴う生体への影響を理解するため、ナノナノギャップ流路を集積したデバイスを用いた1分子量子計測法で、DNA/RNAの稀少エピ分子、に焦点を当てる。これにより、修飾された分子の種類と配列の関連性を明らかにし、疾病や環境変化の影響を1分子レベルで解明。特に、細胞内マイクロRNAに注目し、核酸修飾のシグナル計測からデータベース、前処理技術、計測デバイスの改良までを進め、miRNAの高精度識別プラットフォームを構築する。これにより、疾病診断や治療法開発に貢献し、社会課題の解決を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本年度の研究は、シトシンとアデニンの修飾パターンの変化を詳細に追跡し、アセチル化、ヒドロキシ化、脱アミノ化の中間体を計測することを目指した。その結果、シトシンとアデニンの修飾変化パターンを明らかにし、DNAおよびRNAのエピオミクスを包括的に把握する基盤を確立することに成功した。この基盤により、疾患や環境変化に関連する分子修飾の変化を効率的に検出できるようになった。また、近年注目されているペプチドシーケンサーへの応用も視野に入れ、アミノ酸修飾に関する研究を実施した。まず、リジンのメチル化とアセチル化に注目し、筋肉中のミオシンタンパク質の修飾変化を詳細に計測した。修飾されたリジンがミオシンの機能に与える影響を明らかにし、筋肉タンパク質の修飾パターンを識別する技術の確立に成功した。さらに、機械学習による識別としてディープラーニングの手法であるLSTMを用いた方法を取り入れ、時系列データに特化したシグナル解析の精度向上にも成功した。この研究は、エピオミクスの中でも核酸とタンパク質の修飾を同時計測することに焦点を当てた初めてのものである。シトシンとアデニンの修飾パターンを詳細に追跡し、タンパク質修飾を識別する技術は、稀少分子マーカーの発見や、疾病予防と治療におけるバイオマーカーの特定に寄与する可能性が高い。また、薬剤による遺伝子およびタンパク質修飾パターンの変化も計測可能であるため、抗がん剤や他の薬剤の作用機序の解明にも役立つと考えられる。これらの成果は、1分子レベルで生体分子全体の分子修飾の役割を明らかにし、今後の生物医学研究に新たな視点とアプローチを提供することが期待される．

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本年度の研究は当初の計画では、核酸塩基の識別可能種の拡大もくろんでいたが，ペプチドシーケンシングの技術的な課題を乗り越えたため，今回の進展を支えている。まず、シトシンとアデニンの修飾パターンの追跡において、アセチル化、ヒドロキシ化、脱アミノ化の中間体を計測するための技術開発が迅速に進行し、その結果、DNAおよびRNAのエピオミクスを包括的に把握する基盤が効率的に確立できた。これにより、疾患や環境変化に関連する分子修飾の変化を従来よりも高精度かつ効率的に検出する手法が整った。さらに、近年注目されているペプチドシーケンサーへの応用も視野に入れたアミノ酸修飾に関する研究が順調に進んだ。特に、リジンのメチル化とアセチル化に注目し、筋肉中のミオシンタンパク質における修飾変化を詳細に計測できたことは、修飾されたリジンがミオシンの機能に及ぼす影響を明らかにするうえで大きな進展であった。これにより、筋肉タンパク質の修飾パターンを識別するための技術が確立され、さらなる研究の土台が築かれた。加えて、機械学習の手法であるLSTMを用いたディープラーニング技術の導入により、時系列データに特化したシグナル解析の精度が向上し、修飾パターンの識別において重要な進展が見られた。この手法により、従来は検出が難しかった微小な変化やパターンも見逃さずに検出できるようになり、データ解析の信頼性が大幅に向上している。これらの要素が組み合わさり、研究全体が当初の計画を上回るスピードで進行している。エピオミクスにおける核酸とタンパク質の修飾に関する新たな知見を得ることで、今後の稀少分子マーカーの発見やバイオマーカーの特定においてもより強固な基盤が築かれた。これらの進展は、1分子レベルで生体分子全体の修飾パターンを明らかにし、生物医学研究に新たな視点とアプローチをもたらすことが期待される。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究推進方策は、これまでの成果を基盤として、さらにエピオミクス研究を深化させることに重点を置く。具体的には、シトシンとアデニンにくわえて核酸塩基全種の修飾パターンの変化を引き続き追跡し、これらのエピジェネティックな変化が他の遺伝子やタンパク質の発現に与える影響を調査することで、分子修飾が疾病や環境変化にどのように関連するかを包括的に理解する。これにより、疾患の早期診断や治療に有用なバイオマーカーを特定し、医療現場での応用を目指す。
さらに、ペプチドシーケンサーへの応用展開を念頭に置き、アミノ酸の修飾に関する研究を深める。特に、リジンや他のアミノ酸のメチル化やアセチル化の影響を調べることで、タンパク質修飾が機能に与える影響を明らかにし、筋肉タンパク質の修飾パターンが疾患や運動機能に与える関係を解明する。これにより、運動や栄養状態、環境ストレスが筋肉タンパク質の修飾にどう関わるかを明確にし、今後の予防医学やスポーツ科学に貢献することを目指す。
加えて、ディープラーニングの一手法であるLSTMを含むアテンションの機械学習技術をさらに活用し、修飾パターンやシグナル解析の精度を向上させる。LSTMの時系列データ解析能力を駆使することで、これまで検出が難しかった微細な修飾変化も効率的に識別できるようにし、個々の分子修飾パターンを高精度で特定する。これにより、修飾パターンの時系列的な変化を捉え、疾患進行や治療効果のモニタリングを実現する。
最終的に、この研究の成果は、1分子レベルでの生体分子修飾の理解を深め、エピオミクスにおける新たな基礎知識を提供するとともに、疾患の予防や診断、治療に関わるバイオマーカーや薬剤作用機序の解明に役立つ。これらの方針に基づいて、研究を進めることで、今後の生物医学研究と医療現場での応用に対する貢献を目指す。

Research Products

• [Journal Article] Bio-molecular Sensing for Medical Applications Based on Single Molecule Electrical Measurement by Nanodevices (2023)
  • Author(s): Takahito Ohshiro
  • Journal Title: BUNSEKI KAGAKU Volume: 72 Issue: 3 Pages: 87-95
  • DOI: 10.2116/bunsekikagaku.72.87
  • ISSN: 0525-1931
  • Year and Date: 2023-03-05
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantitative Microscopic Observation of Base?Ligand Interactions via Hydrogen Bonds by Single-Molecule Counting (2023)
  • Author(s): Takashima Yusuke、Komoto Yuki、Ohshiro Takahito、Nakatani Kazuhiko、Taniguchi Masateru
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 145 Issue: 2 Pages: 1310-1318
  • DOI: 10.1021/jacs.2c11260
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct biomolecule discrimination in mixed samples using nanogap-based single-molecule electrical measurement (2023)
  • Author(s): Ryu Jiho、Komoto Yuki、Ohshiro Takahito、Taniguchi Masateru
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 9103-9103
  • DOI: 10.1038/s41598-023-35724-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Single-Molecule Identification of Nucleotides Using a Quantum Computer (2023)
  • Author(s): Taniguchi Masateru、Ohshiro Takahito、Tada Tomofumi
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 127 Issue: 30 Pages: 6636-6642
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.3c02918
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Solid-State Single-Molecule Sensing with the Electronic Life-Detection Instrument for Enceladus/Europa (ELIE) (2023)
  • Author(s): Christopher E. Carr, Jose L. Ramirez-Colon, Daniel Duzdevich, Sam Lee, Masateru Taniguchi, Ohshiro T, Yuki Komoto, Jason M. Soderblom, M. T. Zuber,
  • Journal Title: Astrobiology Volume: 23 Issue: 10 Pages: 1056-1070
  • DOI: 10.1089/ast.2022.0119
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] １分子エピオミクス解析がひらく環境があたえる動植物への影響の理解と応用 (2023)
  • Author(s): 大城敬人
  • Journal Title: アグリバイオ Volume: 88 Pages: 394-399
• [Journal Article] １分子量子計測が開く生命機能解明：1分子エピオミクスの解明 (2023)
  • Author(s): 大城敬人
  • Journal Title: 月刊 細胞 Volume: 55 Pages: 58-62
• [Journal Article] Establishment of a reference single-cell RNA sequencing dataset for human pancreatic adenocarcinoma (2022)
  • Author(s): Chijimatsu R, Kobayashi S, Takeda Y, Kitakaze M, Tatekawa S, Arao Y, Nakayama M, Tachibana N, Saito T, Ennishi D, Tomida S, Sasaki K, Yamada D, Tomimaru Y, Takahashi H, Okuzaki D, Motooka D, Ohshiro T, Taniguchi M, Suzuki Y, Mimori K, Ogawa K, Mori M, Doki Y, Eguchi H, Ishii H
  • Journal Title: iScience Volume: 25 Pages: 104659-104659
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single‐Molecule Classification of Aspartic Acid and Leucine by Molecular Recognition through Hydrogen Bonding and Time‐Series Analysis (2022)
  • Author(s): Ryu Jiho、Komoto Yuki、Ohshiro Takahito、Taniguchi Masateru
  • Journal Title: Chemistry - An Asian Journal Volume: 17 Issue: 13
  • DOI: 10.1002/asia.202200179
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct observation of DNA alterations induced by a DNA disruptor (2022)
  • Author(s): Ohshiro Takahito、Asai Ayumu、Konno Masamitsu、Ohkawa Mayuka、Komoto Yuki、Ofusa Ken、Ishii Hideshi、Taniguchi Masateru
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 6945-6945
  • DOI: 10.1038/s41598-022-10725-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nanodevices for Biological and Medical applications: Development of Single Molecule Electrical measurement method (2022)
  • Author(s): Ohshiro T
  • Journal Title: Applied Sciences Volume: 12 Issue: 3 Pages: 1539-1539
  • DOI: 10.3390/app12031539
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Review of the use of nanodevices to detect single molecules (2022)
  • Author(s): Ohshiro Takahito、Taniguchi Masateru
  • Journal Title: Analytical Biochemistry Volume: 654 Pages: 114645-114645
  • DOI: 10.1016/j.ab.2022.114645
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single-molecule RNA sequencing for simultaneous detection of m6A and 5mC (2021)
  • Author(s): Ohshiro Takahito、Konno Masamitsu、Asai Ayumu、Komoto Yuki、Yamagata Akira、Doki Yuichiro、Eguchi Hidetoshi、Ofusa Ken、Taniguchi Masateru、Ishii Hideshi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 19304-19304
  • DOI: 10.1038/s41598-021-98805-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 生体分子エピトーク解明に向けた1分子トンネル計測法の開発 (2023)
  • Author(s): 大城敬人
  • Organizer: 第83回分析化学討論会
• [Presentation] ペプチド解析にむけたアミノ酸１分子検出法の開発 (2023)
  • Author(s): 大城敬人
  • Organizer: 日本分析化学第72年会
• [Presentation] 1分子トンネル計測法による生体分子エピトーク解析 (2023)
  • Author(s): 大城敬人
  • Organizer: 第84回応用物理秋季学術講演会
• [Presentation] ペプチド解析にむけた１分子検出法によるアミノ酸識別法の開発 (2023)
  • Author(s): 大城敬人
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
• [Presentation] 1分子量子計測法によるエピ修飾分子解析 (2023)
  • Author(s): 大城敬人
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ペプチドシーケンシングにむけた１分子検出法によるアミノ酸識別法の開発 (2023)
  • Author(s): 大城敬人
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演
• [Presentation] リピドミクス解明に向けた1分子トンネル計測法の開発 (2022)
  • Author(s): 大城敬人
  • Organizer: 日本分析化学第71年会
• [Presentation] 分析化学におけるAIのセンサー応用の新展開 (2022)
  • Author(s): 大城敬人
  • Organizer: 日本分析化学第71年会
  • Invited
• [Presentation] １量子計測をもちいた１分子DNAメモリの開発 (2022)
  • Author(s): 大城敬人
  • Organizer: 第83回応用物理秋季学術講演会
• [Presentation] １分子検出法によるアミノ酸解析法の開発 (2022)
  • Author(s): 大城敬人
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] メチル化修飾マイクロRNA解析のための単分子検出法の開発 (2022)
  • Author(s): 大城敬人
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] Single-Molecule Electrical RNA Detection Towards COVID-19 detection (2022)
  • Author(s): 大城敬人
  • Organizer: The 19th SANKEN International Symposium
• [Presentation] 単分子量子計測法による細胞中RNAの核酸アナログ分子解析 (2021)
  • Author(s): 大城敬人
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 単分子検出法による細胞中核酸アナログ分子解析 (2021)
  • Author(s): 大城敬人
  • Organizer: 日本分析化学会第70年会