2021 Fiscal Year Annual Research Report
Intelligent directed evolution: technology development and application to yeast
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20H00317
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
合田 圭介 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (70518696)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上村 想太郎 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (00447442)
大矢 禎一 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (20183767)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 指向性進化法 / 細胞分取 / 酵母 / 発酵 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、2018年に研究代表者らが多分野の最先端技術を結集させて開発した独自技術であるインテリジェント画像活性細胞選抜法(Intelligent Image- Activated Cell Sorting; iIACS)[Nitta et al, Cell 175, 266 (2018)]を基盤に、従来手法よりも1000倍以上高速でディープラーニングを用いたリアルタイム多変量分析による指向性進化法「インテリジェント指向性進化法」を開発し、それを用いた特定の形態を持つスーパー酵母の創出を目的とする研究である。これは個別の酵母細胞に対してその形態的特徴に着目した品種改良を行うという画期的なアイディアで、これまで得られなかったような高効率な発酵特性を持つ酵母などの創出により醸造・発酵業界に貢献することを目指すものである。さらには、酵母の持つ幅広い物質生産性能力を鑑みると、本研究の成果により、オイル生産や創薬へも繋がり、SDGsや人類の健康に資するスーパー酵母の作出をも可能にすると考えられる。この目的に対してこれまで、インテリジェント画像活性細胞選抜法のさらなる改善と応用展開を行い、多くの成果を得られてきた。本年度は、出芽酵母の野生株と変異株の混合液から変異株の特徴を持つ細胞を分取できることを示した。具体的にはまず、⊿scp160株の細胞と野生株の細胞の画像をiIACS装置で取得し、機械学習によって最も区別のつく形態学的特徴を選定した。次に、当該の特徴を評価する分析アルゴリズムをiIACSに実装し、野生株と変異株の細胞の混合懸濁液から変異株の細胞の分取を行った。最後に、分取した細胞を光学顕微鏡で撮像し、所望の形態を持つ細胞が分取されていることを確認することで、本手法の性能を評価した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
「インテリジェント指向性進化法」のワークフローを着実に構築しているため、現在までの進捗状況はおおむね順調である。試料準備や分取後の試料の分析と、iIACSによる細胞選抜のスムーズな接続は本研究における肝要なステップである。すなわち、目的の試料ごとに適切な画像解析アルゴリズムの構築と実装や、シース液で50倍以上希釈された試料の適切な回収などが必要である。このようなステップを経て初めて、分取後の細胞試料の分析を行い、応用研究を展開することが可能となる。「研究業績の概要」に示したような酵母細胞分取におけるモデル実験系で各ステップの接続とその精度を細かく確認し実験実証できたことは、本研究の目的達成に対して重要なマイルストーンとなった。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後も当初の計画通り、プロジェクトの目標に向かって研究を推進していく。技術開発的な面では、ディープラーニングなどの機械学習を利用して分取性能を向上させる。現在想定しているものとしては、分取決定のための画像解析にディープラーニングモデルを利用すること、分取タイミングに細胞の画像情報を利用することなどである。これにより分取精度や分取速度の向上を図る。また、分取した細胞の変異をシーケンシングにより同定し、分取のパフォーマンスをより確実に評価する方法を構築する。応用展開的な面では、本プロジェクト当初の計画通り、選抜した酵母細胞を用いたビールの醸造を行う。昨年度までに高度な醸造技術を持つ共同研究者と議論して計画を進めており、来年度実際に醸造を行う予定である。これに際して、実験に用いる細胞株の選定や分取方法などを細かく検討していく。
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[Journal Article] Deep imaging flow cytometry2022
Author(s)
Huang Kangrui、Matsumura Hiroki、Zhao Yaqi、Herbig Maik、Yuan Dan、Mineharu Yohei、Harmon Jeffrey、Findinier Justin、Yamagishi Mai、Ohnuki Shinsuke、Nitta Nao、Grossman Arthur R.、Ohya Yoshikazu、Mikami Hideharu、Isozaki Akihiro、Goda Keisuke
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Journal Title
Lab on a Chip
Volume: 22
Pages: 876～889
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] High-throughput on-chip imaging of diverse cancer cells in blood2021
Author(s)
Hiroki Matsumura, Larina Tzu-Wei Shen, Hideharu Mikami, Akihiro Isozaki, Dan Yuan, Taichi Miura, Yoshika Kusumoto, Masako Nishikawa, Atsushi Yasumoto, Takeshi Yamada, Aya Ueda, Hiroko Bando, Hisato Hara, Yutaka Yatomi, Satoshi Matsusaka, and Keisuke Goda
Organizer
The international Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2021 (Pacifichem 2021)
Int'l Joint Research
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