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): 2024-04-01 – 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 / ペプチド / 生体高分子 / １分子 / 核酸塩基 / アミノ酸 / 機械学習 / １分子計測 / 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

本年度の研究では、昨年度の成果を踏まえ、分子配向性に基づいた1分子識別技術を実現した。具体的には、アミノ酸および核酸塩基の二重合体において、分子の方向性（5'、3'端やC端、N端）を識別する技術を開発した。特に、核酸塩基の二重合体についての識別に成功し、1分子レベルでの電子状態を精密に捉えることができた。

また、エピ修飾識別デバイスの精度向上に向けて、ナノギャップ電極の設計を大幅に改善した。従来のナノギャップ間距離に加えて、ナノギャップ電極の厚みを従来の半分に削減することで、シグナル取得量を劇的に増加させた。この新しい設計により、分子の識別速度が向上し、リアルタイムでの大量シグナル取得と解析が可能となった。これを用いて、ミオシンタンパク質の一部配列におけるリジンのメチル化とアセチル化を詳細に計測し、タンパク質修飾がミオシンの機能に与える影響を評価した。この技術により、タンパク質修飾パターンの識別能力が一層強化され、疾患や病態に関連するバイオマーカーの特定技術が向上した。加えて、機械学習技術であるLSTM（長短期記憶ネットワーク）を活用し、時系列データに特化したシグナル解析の精度を大幅に向上させた。これにより、エピ修飾に関連するデータ解析の精度が飛躍的に向上し、得られた情報の解釈の信頼性が大きく向上した。

本年度の成果は、エピオミクス分野における新たな技術的突破口を提供し、疾患予防や治療に向けたバイオマーカーの発見や、薬剤による遺伝子およびタンパク質修飾の変化解析に貢献するものである。今後、これらの技術を応用することで、より精緻な生物学的解析が可能となり、医学やバイオテクノロジー分野における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、当初の計画を上回る進展を遂げた。計画では、実サンプルを用いて生体分子の識別に関して、メチル化について1例の評価を行うこととしていたが、実際には5例のサンプルを評価し、予想以上に多くの実データを取得することができた。これにより、研究の範囲は大きく広がり、より詳細な解析が可能となった。

また、エピ修飾の識別に関しても進展が見られた。当初の計画ではメチル化とアセチル化の2種類に焦点を当てる予定であったが、実際にはメチル化、アセチル化に加え、リン酸化、OMe化、脱アミノ化、カルボキシ化の4種類の修飾を新たに識別することができた。これにより、エピ修飾の識別能力は大幅に向上し、より多角的な生体分子の解析が可能となった。

特に重要な進展は、実試料中のメチル化とリン酸化の両方の修飾率を同時に評価する技術を確立した点である。これにより、従来の研究では実現が難しかった複数のエピ修飾の同時解析が可能となり、網羅的な生物学的解析へと進展した。この成果は、複数の修飾が関与する生理学的プロセスや疾患メカニズムの理解を深めるための重要なステップとなる。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究では、これまでの成果を基盤に、エピオミクス分野における新たな知見創出を目指す。特に、エピ修飾の同時解析技術の精度向上と効率的な解析法の確立に注力する。

第一に、識別可能なエピ修飾の種類を拡大する。現在、メチル化、アセチル化、リン酸化、OMe化、脱アミノ化、カルボキシ化の6種類を識別しているが、今後はユビキチン化やグリコシル化など新たな修飾の識別技術を開発し、修飾パターンの包括的解析を進める。これにより、疾患のメカニズムや新たなバイオマーカーの発見が期待される。第二に、実験のスループット向上を目指す。現在は5例の実サンプルを評価しているが、デバイスの高精度化とシグナル解析の高速化を進め、より多くのサンプルを効率的に解析できるようにする。ナノギャップ電極の改良により、シグナル取得量を増加させ、リアルタイム解析を可能にする。

これを踏まえて、疾患研究やバイオマーカー発見への応用を推進する。得られた技術を基に、がんや神経疾患などに関連するエピ修飾パターンを解析し、治療法開発に貢献する。特に、薬剤の作用機序解明に向けた応用を進めることで、医療分野への技術応用を目指す。

Research Products

• [Journal Article] Single-molecule detection of modified amino acid regulating transcriptional activity (2024)
  • Author(s): Komoto Yuki、Ohshiro Takahito、Notsu Yuno、Taniguchi Masateru
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 14 Issue: 43 Pages: 31740-31744
  • DOI: 10.1039/d4ra05488a
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] 神経変性疾患診断に向けたアミノ酸のリン酸化修飾１分子識別 (2024)
  • Author(s): 西畑すみれ、大城敬人、小本祐貴、谷口正輝
  • Organizer: 日本化学会第105春季年会
• [Presentation] mRNAワクチン設計に向けたナノギャップ電極を用いたウリジン修飾分子の高度識別技術 (2024)
  • Author(s): 杉村佳歩、大城敬人、小本祐貴、谷口正輝
  • Organizer: 日本化学会第105春季年会
• [Presentation] 腫瘍マーカー検出に向けたtRNA修飾の１分子計測 (2024)
  • Author(s): 近藤風花、大城敬人、小本祐貴、谷口正輝
  • Organizer: 日本化学会第105春季年会
• [Presentation] 低侵襲サンプルを用いたRNA 1分子識別技術の開発 (2024)
  • Author(s): 金子亜耶伽、大城敬人、小本祐貴、谷口正輝
  • Organizer: 日本化学会第105春季年会
• [Presentation] RNAシーケンシングに向けた塩基ダイマーの1分子解析 (2024)
  • Author(s): 香川直樹、大城敬人、小本祐貴、谷口正輝
  • Organizer: 日本化学会第105春季年会
• [Presentation] 生体修飾分子の1分子トンネル計測法の開発 (2024)
  • Author(s): 大城敬人、小本祐貴、谷口正輝
  • Organizer: 日本化学会第105春季年会
• [Presentation] エピオミクスに向けた生体修飾分子の1分子トンネル計測法の開発 (2024)
  • Author(s): 大城敬人、小本祐貴、谷口正輝
  • Organizer: 第72回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ペプチド解析にむけたアミノ酸1分子トンネル計測法の開 (2024)
  • Author(s): 大城敬人、小本祐貴、谷口正輝
  • Organizer: 第85回応用物理秋季学術講演会
• [Presentation] エピオミクスに向けた生体修飾分子の1分子トンネル計測法の開発 (2024)
  • Author(s): 大城敬人、小本祐貴、谷口正輝
  • Organizer: 日本分析化学第73年会
• [Presentation] 1分子量子計測法による生体修飾分子識別法の開 (2024)
  • Author(s): 大城敬人
  • Organizer: 第84回分析化学討論会
• [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