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2021 Fiscal Year Annual Research Report

Intelligent directed evolution: technology development and application to yeast

Research Project

Project/Area Number 20H00317
Research InstitutionThe University of Tokyo

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)

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)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords指向性進化法 / 細胞分取 / 酵母 / 発酵
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。

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。

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。

  • Research Products

    (22 results)

All 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 1 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results) Book (1 results) Remarks (2 results) Patent(Industrial Property Rights) (3 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Virginia/Carnegie Institution of Science/Stanford University(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      University of Virginia/Carnegie Institution of Science/Stanford University
    • # of Other Institutions
      1
  • [Int'l Joint Research] Wuhan University(中国)

    • Country Name
      CHINA
    • Counterpart Institution
      Wuhan University
  • [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
    • Journal Title

      Lab on a Chip

      Volume: 22 Pages: 876~889

    • DOI

      10.1039/d1lc01043c

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Analyzing circulating platelet aggregates in patients with COVID-19 by massive image-based single-cell profiling2022

    • Author(s)
      H. Kanno、M. Nishikawa、Y. Zhou、T. Xiao、T. Suzuki、Y. Ibayashi、J. Harmon、S. Takizawa、K. Hiramatsu、N. Nitta、R. Kameyama、W. Peterson、J. Takiguchi、M. Shifat-E-Rabbi、Y. Zhuang、X. Yin、A. H. M. Rubaiyat、Y. Deng、H. Zhang、S. Miyata、G. K. Rohde、W. Iwasaki、Y. Yatomi、K. Goda
    • Journal Title

      化学とマイクロ・ナノシステム学会誌

      Volume: 21 Pages: 1~11

    • Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Morphological Indicator for Directed Evolution of Euglena gracilis with a High Heavy Metal Removal Efficiency2021

    • Author(s)
      Xu Muzhen、Harmon Jeffrey、Yuan Dan、Yan Sheng、Lei Cheng、Hiramatsu Kotaro、Zhou Yuqi、Loo Mun Hong、Hasunuma Tomohisa、Isozaki Akihiro、Goda Keisuke
    • Journal Title

      Environmental Science & Technology

      Volume: 55 Pages: 7880~7889

    • DOI

      10.1021/acs.est.0c05278

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Intelligent Platelet Morphometry2021

    • Author(s)
      Zhou Yuqi、Isozaki Akihiro、Yasumoto Atsushi、Xiao Ting-Hui、Yatomi Yutaka、Lei Cheng、Goda Keisuke
    • Journal Title

      Trends in Biotechnology

      Volume: 39 Pages: 978~989

    • DOI

      10.1016/j.tibtech.2020.12.012

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Massive image-based single-cell profiling reveals high levels of circulating platelet aggregates in patients with COVID-192021

    • Author(s)
      Nishikawa Masako、Kanno Hiroshi、Zhou Yuqi、Xiao Ting-Hui、Suzuki Takuma、Ibayashi Yuma、Harmon Jeffrey、Takizawa Shigekazu、Hiramatsu Kotaro、Nitta Nao、Kameyama Risako、Peterson Walker、...、Goda Keisuke
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 12 Pages: 7135

    • DOI

      10.1038/s41467-021-27378-2

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Studying vascular stenosis by high-throughput optical microscopy on a chip2022

    • Author(s)
      Y. Deng, J. A. Duque, C. Su, Y. Zhou, M. Nishikawa, T. Xiao, Y. Yatomi, H. W. Hou, K. Goda
    • Organizer
      SPIE Photonics West 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] AI on a chip for identifying microalgal cells with high heavy metal removal efficiency2021

    • Author(s)
      Muzhen Xu, Jeffrey Harmon, Tomohisa Hasunuma, Akihiro Isozaki, and Keisuke Goda
    • Organizer
      The 21st International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers2021)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] High-throughput intelligent image-activated sorting of receptor-localizing T cells2021

    • Author(s)
      Natsumi Tiffany Ishii, Tsubasa Wakamiya, Taketo Araki, Mika Hayashi, Hiroki Matsumura, Kazuma Kita, Yuma Oka, Masatoshi Yanagida, Akihiro Isozaki, and Keisuke Goda
    • Organizer
      The 25th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (MicroTAS2021)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Image-activated sorting of genetically perturbed yeast towards image-based pooled screens2021

    • Author(s)
      Mika Hayashi, Natsumi Tiffany Ishii, Jeffrey Harmon, Taketo Araki, Shinsuke Ohnuki, Naoko Kondo, Akihiro Isozaki, Yoshikazu Ohya, and Keisuke Goda
    • Organizer
      The 25th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (MicroTAS2021)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] High speed FLIM, high-throughput FLIM flow cytometry, and beyond2021

    • Author(s)
      Hiroshi Kanno, Hideharu Mikami, Hiramatsu Kotaro, and Keisuke Goda
    • Organizer
      Pacifichem 2021
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Deep learning based classification of Chlamydomonas reinhardtii displaying mitochondrial repositioning using an imaging flow cytometer2021

    • Author(s)
      Jeffrey Harmon, Justin Findinier, Akihiro Isozaki, Arthur Grossman, and Keisuke Goda
    • Organizer
      The international Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2021 (Pacifichem 2021)
    • Int'l Joint Research
  • [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
  • [Presentation] Mitochondrial Translocation of Telomerase Reverse Transcriptase Changes Cell Death Process2021

    • Author(s)
      Hiroshi Ebata, Tomohiro Shima, Yoshitaka Shirasaki, Sotaro Uemura
    • Organizer
      Cell Bio Virtual 2021
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] テロメラーゼ逆転写酵素TERTのミトコンドリア輸送の細胞死制御2021

    • Author(s)
      江端拓志, 島知弘, 白崎善隆, 上村想太郎
    • Organizer
      第44回 日本分子生物学会年会
  • [Book] 先端の分析法 第2版2022

    • Author(s)
      澤田 嗣郎、小澤 岳昌、北森 武彦、中村 洋(東京理科大学名誉教授)、藤浪 眞紀、宮村 一夫、石丸 洋一郎、浦野 泰照、加地 範匡、坂 真智子、鈴木 茂、瀬藤 光利、宗林 由樹、馬場 嘉信、船津 公人、本田 暁紀、末永 智一、宮野 博、本山 晃
    • Total Pages
      1072
    • Publisher
      エヌ・ティー・エス
    • ISBN
      978-4-86043-737-4
  • [Remarks] Serendipity Lab

    • URL

      http://www.serendipitylab.org/

  • [Remarks] Goda Lab

    • URL

      https://www.chem.s.u-tokyo.ac.jp/users/struct/index.html

  • [Patent(Industrial Property Rights)] ゲノム改変微生物株2021

    • Inventor(s)
      大矢禎一、茶谷朋哉、赤尾健、五島徹也
    • Industrial Property Rights Holder
      国立大学法人 東京大学、独立行政法人酒類総合研究所
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2021-082633
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 酵母の産業適格性予測システム及び方法2021

    • Inventor(s)
      大矢禎一、大貫慎輔、呉俊元、増尾直久、岩切亮
    • Industrial Property Rights Holder
      国立大学法人 東京大学、三菱商事ライフサイエンス株式会社
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2021-107905
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 8-8ジフェルラ酸誘導体2021

    • Inventor(s)
      大矢禎一、一刀かおり、小川樹、他4名
    • Industrial Property Rights Holder
      国立大学法人 東京大学、他1機関
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2021-136651

URL: 

Published: 2023-12-25  

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