2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of platform for ultra high-throughput screening of novel bioactive compound producers
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17H06158
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
竹山 春子 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (60262234)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
油谷 幸代 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 副ラボ長 (10361627)
安藤 正浩 早稲田大学, ナノ・ライフ創新研究機構, 次席研究員(研究院講師) (50620803)
細川 正人 早稲田大学, ナノ・ライフ創新研究機構, その他(招聘研究員) (60722981)
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| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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| Keywords | ラマン分光 / データベース / 生理活性物質 / シングルセル解析 / 難培養微生物 / シングルセルゲノミクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1.微生物二次代謝産物のラマンスペクトラムデータベースの構築
昨年度に前倒し修正した目標である500種類を超える540種類の化合物の計測を行い、データベース（DB）の拡充を行った。生体試料計測データに対し、DBによるスペクトル同定を可能とすると共に定量解析もできるよう、解析アルゴリズムの開発を進めた。また、分光器メーカーとの共同研究のもと、高感度なバイオ用途ラマン分光計の構築を行った。さらに、当初研究計画にはなかった新たな分析手法として、世界に先駆けて液体クロマトグラフィー（LC）の検出部にラマン分光計測を用いたLCラマンシステムを産学連携で構築し、プロトタイプ器の構築に至った。一般的なUV吸収や質量分析では捉えきれない化合物を、効率的に見出せることが期待される。
2.シングルセル解析のためのドロップレットマイクロフローシステム構築
システムの統合に向けて、糸状菌を封入した液滴をデバイス内でラマン計測可能であることを実証した。また、液滴内で培養した放線菌から、二次代謝産物をラマン検出することに成功した。環境微生物への応用として、シングルセルラマン解析・ゲノム解析を組み合わせ、様々な種類の海綿に適用し、これまでに計5種類の海綿から有用二次代謝産物を産生する難培養微生物6種の同定とゲノム情報の獲得を行った。
3.シングルセルゲノミクスによる新規生理活性物質産生遺伝子群の解析
アガロース性の液滴を用いたシングルセルゲノム解析手法を幅広い環境微生物へと応用し、未知微生物のゲノム情報の蓄積を行った。また、液滴内での環境微生物の培養に取り組み、土壌微生物や腸内細菌を対象にシングルセルレベルでの単離・培養からゲノム解析へと繋がるシステムの開発を行った。また、2層構造を有する液滴内で細胞間相互作用を解析するシステムの開発にも取り組んでおり、有用な表現型を示す細菌のゲノム解析に応用が期待される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
ラマン分光解析では、昨年度に前倒し修正した予定に滞ることなく540種類の化合物を計測、DBを作成した。また当初の予定通り、これを多変量解析に組み込むことで微生物の産生する二次代謝産物を効率よく検出できるようにし、ゲノム解析のためのスクリーニング手法としてのラマンスペクトル解析技術を実現した。また、多様な微生物等を対象として生体成分を検出し、その局所性情報を明確に示すことを可能とした。さらに、これまでの研究から新たに構想したLCラマン分析装置の考案、プロトタイプの作製まで産学連携で実現することができた。このシステムの実現は、今までの分析機器での課題も解決しつつ、大幅な技術躍進に貢献できる成果である。今後、より高度なスクリーニング技術の実現につながると期待できる。
シングルセルゲノム解析では、当初に想定していた要素技術の開発が滞りなく進展しており、現在は、さらなる高度化(ハイスループット化および高精度化)に向けた技術開発が進んでいる。技術の高度化とともに、シングルセルゲノム解析を多様な環境で推進しているが、新分類群、新種の微生物をゲノム情報から見出すことにつながっている。特に、ウイルス、抗生物質耐性遺伝子等をホスト微生物情報とともに見出しており、新たな生物学と環境科学に資する知見を提唱しつつある。シングルセル解析においては、ラマンによる代謝物同定と、培養・ゲノム解析を可能とするドロップレットデバイス構築の高度化も進んでおり、一気通貫のシステム化も進行中である。
これらの研究成果を総説・解説・招待講演等で紹介する機会も多く、国内外からも共同研究依頼が届くなど、微生物シングルセル解析のパイオニアとして着実に認知を深められたと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
1.微生物二次代謝産物のラマンスペクトラムデータベースの構築
本年度に開発を進めてきたバイオ用途ラマン分光計やLCラマン技術をより高度にシステム化し、液滴内微生物の高効率なラマン解析、二次代謝産物の高確度な成分解析を実現する。ここに、DBのさらなる拡充(目標800化合物)、データ解析の自動化を実現・融合し、分子イメージングや二次代謝産物検出のスクリーニング技術としての汎用化を図る。
2.シングルセル解析のためのドロップレットマイクロフローシステム構築
多様な環境サンプルに存在する微生物を対象として、液滴内のシングルセルに対し、ラマン分光法による生体分子の同定・イメージング・可培養化・ゲノム解析を可能とするシステム構築を目指す。現時点では、それぞれのステップが独立しているが、一番効率的なフローシステムを構築し、評価する。R3年度は、実サンプルとして、植物と相互作用を有する有用微生物である根粒菌等や多様な共生微生物を対象として評価を進めるとともに、有用微生物の株レベルでの解析データを蓄積する。
3.シングルセルゲノミクスによる新規生理活性物質遺伝子群の解析
SAG-gel法を用いて蓄積した多量のゲノム情報から生理活性物質産生遺伝子群の探索を行い、遺伝子群配列のDB化を行う。また、SAG-gel法で取得される個々のシングルセルゲノムの質を向上させるため、生菌由来のゲノムDNAを特異的に増幅・獲得する手法を構築する。さらに、液滴内培養技術を応用した微生物間相互作用解析システムを、これまでに開発したプラットフォームと組み合わせることで、液滴内で特異な相互作用を示した微生物を対象にラマン-シングルセルゲノム解析を実施する。これにより、生理活性物質の機能予測（観察）・構造推定（ラマン）・産生遺伝子群の配列取得（ゲノミクス）を可能とする解析システムの構築を行う。
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| Remarks |
1.びっくり新技術 細菌のDNA分析、東京新聞、11版朝刊4面、2020年4月18日
2.びっくり新技術 細菌のDNA分析、中日新聞、E版夕刊科学 p2、2020年4月21日
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[Journal Article] Draft Genome Sequence of Okeania sp. Strain KiyG1, Assembled from Single-Amplified Genomes Collected from Cape Kiyan, Okinawa, Japan2020
Author(s)
Lewaru Muhammad Wahyudin, Nishikawa Yohei, Ide Keigo, Kogawa Masato, Hosokawa Masahito, Samuel Ashok Zachariah, Sumimoto Shinpei, Nuryadi Handung, Suda Shoichiro, Takeyama Haruko
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Journal Title
Microbiology Resource Announcements
Volume: 9
Pages: -
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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