Intelligent directed evolution: technology development and application to yeast

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H00317
• Research Institution: The 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(iIACS)[Nitta et al, Cell 175, 266 (2018)]を基盤に、従来手法よりも1000倍以上高速な「インテリジェント指向性進化法」を開発し、特定の形態を持つスーパー酵母の創出を目的とした研究である。最終年度は、細胞選抜の性能改良、細胞分取とシーケンシング、および社会実装を見据えた応用まで行った。まず、従来のiIACSでは撮像から分取位置までの到達予測精度が限定的であったため、機械学習を用いた分取タイミング予測法を開発した。画像から得られる細胞の形態や位置等の情報をもとに精度を向上させ、分取スピードを高めた。次に、異なる細胞株をiIACSでリアルタイムに判別するための学習モデルを構築し、これにより細胞株の混合懸濁液から狙いの株を分取し、回収した試料の遺伝子変異箇所をDNAシーケンシングによって同定した。従来は分取した細胞の顕微鏡画像による評価までにとどまっていたが、今回遺伝子型の同定まで行うことができ、iIACSにより出芽酵母の形態学的特徴と遺伝子情報の相関を確認した。これをランダム変異導入試料に適用することで、本研究の目指す指向性進化法のみならず酵母を用いた生理学的な研究に展開することができると期待される。最後に、iIACS装置で分取した酵母細胞のビール醸造テストを行った。狙いの酵母の株と同様の形態を持つ細胞を、iIACS装置のリアルタイム画像解析によって、複数種類の細胞株の混合懸濁液から分取した。これを培養し、ビールの醸造に用いた。以上により、iIACSを用いた酵母における指向性進化法のための基盤技術を構築し、酵母の選抜と選定細胞の解析、ビール醸造までの一連の技術検証を行い、インテリジェント指向性進化法の有用性とその応用展開性を実証することができた。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [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: 2
• [Int'l Joint Research] Nanyang Technological University(シンガポール)
  • Country Name: SINGAPORE
  • Counterpart Institution: Nanyang Technological University
• [Int'l Joint Research] Max Planck Institute(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Max Planck Institute
• [Int'l Joint Research] Wuhan University/HKUST(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: Wuhan University/HKUST
• [Journal Article] Studying the efficacy of antiplatelet drugs on atherosclerosis by optofluidic imaging on a chip (2023)
  • Author(s): Deng Yunjie、Tay Hui Min、Zhou Yuqi、Fei Xueer、Tang Xuke、Nishikawa Masako、Yatomi Yutaka、Hou Han Wei、Xiao Ting-Hui、Goda Keisuke
  • Journal Title: Lab on a Chip Volume: 23 Pages: 410～420
  • DOI: 10.1039/d2lc00895e
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Virtual-freezing fluorescence imaging flow cytometry with 5-aminolevulinic acid stimulation and antibody labeling for detecting all forms of circulating tumor cells (2023)
  • Author(s): Matsumura Hiroki、Shen Larina Tzu-Wei、Isozaki Akihiro、Mikami Hideharu、Yuan Dan、Miura Taichi、Kondo Yuto、Mori Tomoko、Kusumoto Yoshika、Nishikawa Masako、Yasumoto Atsushi、Ueda Aya、Bando Hiroko、Hara Hisato、Liu Yuhong、Deng Yunjie、Sonoshita Masahiro、Yatomi Yutaka、Goda Keisuke、Matsusaka Satoshi
  • Journal Title: Lab on a Chip Volume: 23 Pages: 1561～1575
  • DOI: 10.1039/d2lc00856d
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Real‐time intelligent classification of COVID‐19 and thrombosis via massive image‐based analysis of platelet aggregates (2023)
  • Author(s): Zhang Chenqi、Herbig Maik、Zhou Yuqi、Nishikawa Masako、Shifat‐E‐Rabbi Mohammad、Kanno Hiroshi、Yang Ruoxi、Ibayashi Yuma、Xiao Ting‐Hui、Rohde Gustavo K.、Sato Masataka、Kodera Satoshi、Daimon Masao、Yatomi Yutaka、Goda Keisuke
  • Journal Title: Cytometry Part A Volume: - Pages: 1～8
  • DOI: 10.1002/cyto.a.24721
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Understanding stenosis-induced platelet aggregation on a chip by high-speed optical imaging (2022)
  • Author(s): Deng Yunjie、Duque Jaime Alvarez、Su Chengxun、Zhou Yuqi、Nishikawa Masako、Xiao Ting-Hui、Yatomi Yutaka、Hou Han Wei、Goda Keisuke
  • Journal Title: Sensors and Actuators B: Chemical Volume: 356 Pages: 131318～131318
  • DOI: 10.1016/j.snb.2021.131318
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Intelligent image‐activated sorting of Chlamydomonas reinhardtii by mitochondrial localization (2022)
  • Author(s): Harmon Jeffrey、Findinier Justin、Ishii Natsumi Tiffany、Herbig Maik、Isozaki Akihiro、Grossman Arthur、Goda Keisuke
  • Journal Title: Cytometry Part A Volume: 101 Pages: 1027～1034
  • DOI: 10.1002/cyto.a.24661
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Best practices for reporting throughput in biomedical research (2022)
  • Author(s): Herbig Maik、Isozaki Akihiro、Di Carlo Dino、Guck Jochen、Nitta Nao、Damoiseaux Robert、Kamikawaji Shogo、Suyama Eigo、Shintaku Hirofumi、Wu Angela Ruohao、Nikaido Itoshi、Goda Keisuke
  • Journal Title: Nature Methods Volume: 19 Pages: 633～634
  • DOI: 10.1038/s41592-022-01483-6
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Intelligent sort‐timing prediction for image‐activated cell sorting (2022)
  • Author(s): Zhao Yaqi、Isozaki Akihiro、Herbig Maik、Hayashi Mika、Hiramatsu Kotaro、Yamazaki Sota、Kondo Naoko、Ohnuki Shinsuke、Ohya Yoshikazu、Nitta Nao、Goda Keisuke
  • Journal Title: Cytometry Part A Volume: 103 Pages: 88～97
  • DOI: 10.1002/cyto.a.24664
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Long‐term effects of Pfizer‐BioNTech COVID‐19 vaccinations on platelets (2022)
  • Author(s): Zhou Yuqi、Nishikawa Masako、Kanno Hiroshi、Yang Ruoxi、Ibayashi Yuma、Xiao Ting‐Hui、Peterson Walker、Herbig Maik、Nitta Nao、Miyata Shigeki、Kanthi Yogendra、Rohde Gustavo K.、Moriya Kyoji、Yatomi Yutaka、Goda Keisuke
  • Journal Title: Cytometry Part A Volume: 103 Pages: 162～167
  • DOI: 10.1002/cyto.a.24677
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Deciphering the efficacy of antiplatelet drugs under vascular stenosis by high-speed on-chip optofluidic imaging (2023)
  • Author(s): Y. Deng, H. M. Tay, Y. Zhou, X. Fei, M. Nishikawa, T.-H. Xiao, Y. Yatomi, H. W. Hou, K. Goda
  • Organizer: SPIE Photonics West 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Uncovering the long-term effects of mRNA COVID-19 vaccinations on platelets by high-speed optical imaging on a chip (2023)
  • Author(s): Y. Zhou, M. Nishikawa, H. Kanno, R. Yang, Y. Ibayashi, T.-H. Xiao, W. Peterson, M. Herbig, N. Nitta, S. Miyata, Y. Kanthi, G. K. Rohde, K. Moriya, Y. Yatomi, K. Goda
  • Organizer: SPIE Photonics West 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 血小板凝集塊の無標識画像ヒックテータによる COVID-19 と血栓症のリアルタイム AI 分類 (2023)
  • Author(s): 張 晨祺, Herbig Maik, 周 雨奇, 西川 真子, Shifat-E-Rabbi Mohammad, 菅野 寛志 , 楊 若曦 , 伊林 侑真 , 肖 廷輝 , Rohde Gustavo, 佐藤 将敬 , 小寺 聡, 大門 雅夫, 矢冨 裕, 合田 圭介
  • Organizer: 第70回 応用物理学会 春季学術講演会
• [Presentation] Intelligent image-activated cell sorting based on complex intracellular morphology (2022)
  • Author(s): Jeffrey Harmon, Justin Findinier, Natsumi Tiffany Ishii, Maik Herbig, Akihiro Isozaki, Arthur R. Grossman, and Keisuke Goda
  • Organizer: 化学とマイクロ・ナノシステム学会第45回研究会
• [Presentation] “高速イメージングフローサイトメトリーによるユーグレナ細胞の形態と重金属の除去効率の関係性解明 (2022)
  • Author(s): 小林 飛翔, Xu Muzhen, Jeffery Harmon, シャクマトフ 理人, 磯崎 瑛宏, 合田 圭介
  • Organizer: 化学とマイクロ・ナノシステム学会第45回研究会
• [Presentation] Machine learning-based sort-timing prediction for image-activated cell sorting (2022)
  • Author(s): Yaqi Zhao, Akihiro Isozaki, Maik Herbig, Mika Hayashi, Kotaro Hiramatsu, Sota Yamazaki, Naoko Kondo, Shinsuke Ohnuki, Yoshikazu Ohya, Nao Nitta, and Keisuke Goda
  • Organizer: 化学とマイクロ・ナノシステム学会第45回研究会
• [Presentation] Detection and characterization of circulating tumor cell clusters by high-throughput optomechanical imaging flow cytometry (2022)
  • Author(s): Hiroki Matsumura, Larina Shen, Akihiro Isozaki, Hideharu Mikami, Dan Yuan, Maik Herbig, Yuto Kondo, Tomoko Mori, Yoshika Kusumoto, Masako Nishikawa, Yutaka Yatomi, Satoshi Matsusaka, Keisuke Goda
  • Organizer: CYTO 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A standardized metric for throughput for cytometry (2022)
  • Author(s): Maik Herbig, Akihiro Isozaki, Dino Di Carlo, Jochen Guck, Nao Nitta, Robert Damoiseaux, Shogo Kamikawaji, Eigo Suyama, Hirofumi Shintaku, Angela Ruohao Wu, Itoshi Nikaido, and Keisuke Goda
  • Organizer: CYTO 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-throughput image-activated cell sorting by mitochondrial relocation (2022)
  • Author(s): Maik Herbig, Jeffrey Harmon, Justin Findinier, Natsumi Tiffany Ishii, Akihiro Isozaki, Arthur R. Grossman, and Keisuke Goda
  • Organizer: CYTO 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Resolution-enhanced imaging flow cytometry by deep learning (2022)
  • Author(s): Maik Herbig, Kangrui Huang, Hiroki Matsumura, Yaqi Zhao, Dan Yuan, Yohei Mineharu, Jeffrey Harmon, Justin Findinier, Mai Yamagishi, Shinsuke Ohnuki, Nao Nitta, Arthur R. Grossman, Yoshikazu Ohya, Hideharu Mikami, Akihiro Isozaki, and Keisuke Goda
  • Organizer: CYTO 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Uncovering the pathogenesis and treatment of atherosclerosis by high-throughput microscopy (2022)
  • Author(s): Y. Deng, J. Duque, C. Su, Y. Zhou, M. Nishikawa, T. Xiao, Y. Yatomi, H. Hou, K. Goda
  • Organizer: CYTO 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Uncovering the pathogenesis of microvascular thrombosis in COVID-19 via high-throughput microscopy on a chip (2022)
  • Author(s): Y. Zhou, M. Nishikawa, H. Kanno, T.-H. Xiao, C. Zhang, M. Herbig, Y. Ibayashi, N. Nitta, S. Miyata, G. K. Rohde, Y. Yatomi, K. Goda
  • Organizer: CYTO 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] COVID-19における血小板凝集塊の大規模イメージング解析 (2022)
  • Author(s): 西川真子, 菅野寛志, Yuqi Zhou, Ting-Hui Xiao, 矢冨裕, 合田圭介
  • Organizer: 第44回日本血栓止血学会学術集会
• [Presentation] オンチップ血管狭窄と高速イメージングを用いた血小板凝集の統計解析 (2022)
  • Author(s): 周 雨奇, 鄧 云杰, ハイメ・アルバレス・ドゥケ, 蘇 成迅, 西川 真子, 肖 廷輝, 矢冨 裕, 侯 翰偉, 合田 圭介
  • Organizer: 第44回日本血栓止血学会学術集会
• [Presentation] mRNA COVID-19ワクチン接種の血小板への長期的影響 (2022)
  • Author(s): 周 雨奇, 西川 真子, 菅野 寛志, Ruoxi Yang, 肖 廷輝, 矢冨 裕, 合田 圭介
  • Organizer: 第44回日本血栓止血学会学術集会
• [Presentation] イメージングフローサイトメトリーによる免疫細胞の受容体局在とサイトカイン産生の関連性探索 (2022)
  • Author(s): 磯崎 瑛宏, Natsumi Tiffany Ishii, 北 一真, 岡 祐馬, 山岸 舞, Yaqi Zhao, 柳田 匡俊, 合田 圭介
  • Organizer: 化学とマイクロ・ナノシステム学会第46回研究会
• [Presentation] 血中循環腫瘍細胞の分取に向けた粘弾性流体制御によるオンチップセルソーター (2022)
  • Author(s): 長坂 柚葵, 松村 洋貴, 中川 悠太, 磯﨑 瑛宏, 合田 圭介
  • Organizer: 化学とマイクロ・ナノシステム学会第46回研究会
• [Presentation] Feasibility study of the method for obtaining fluorogenic RNA aptamers using water-in-oil microdroplets (2022)
  • Author(s): Keisuke Ito, Ryo Iizuka, Sotaro Uemura
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Development of a single-particle inclusions detection method by solid-state nanopore for miRNA in single exosome detection (2022)
  • Author(s): Takumi Uchida, Hirohito Yamazaki, Ryo Iizuka, Sotaro Uemura
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Investigation of the effect of spherical (three-dimensional) confinement on the higher order structure of 12-mer nucleosome arrays (2022)
  • Author(s): Masahiro Okabe, Ryo Iizuka, Munetaka Akatsu, Kenta Echigoya, Tomoya Kujirai, Hitoshi Kurumizaka, Sotaro Uemura
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] A study on the structural dynamics of the nucleosome containing H2A.B using solid-state nanopores (2022)
  • Author(s): Hikaru Nozawa, Hirohito Yamazaki, Ryo Iizuka, Rina Hirano, Tomoya Kujirai, Hitoshi Kurumizaka, Sotaro Uemura
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] ナノポア計測によるCALHM2チャネルダイナミクスの解明 (2022)
  • Author(s): 中村宗太郎、山崎洋人、志甫谷渉、濡木理、上村想太郎
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] ショウジョウバエアルゴノート 2 の N 末端領域はアミロイド様凝集体を形成する（N-terminal region of Drosophila Argonaute2 can form amyloid-like aggregates） (2022)
  • Author(s): 成田 晴香、島 知弘、飯塚 怜、塩見 美喜子、上村 想太郎
  • Organizer: 第21回東京大学生命科学シンポジウム
• [Book] 生体分子環境の化学 (2023)
  • Author(s): 日本化学会
  • Total Pages: 208
  • Publisher: 化学同人
  • ISBN: 9784759814057
• [Remarks] Serendipity Lab
  • URL: http://www.serendipitylab.org/
• [Remarks] Goda Lab
  • URL: https://www.chem.s.u-tokyo.ac.jp/users/struct/index.html