Informatics analysis on selectivity and diversity of enzymatic reaction

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26430198
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 荒木 通啓 神戸大学, 科学技術イノベーション研究科, 特命准教授 (40396867)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 合成生物学 / 代謝工学 / バイオインフォマティクス

Outline of Annual Research Achievements

酵素反応データ解析のための基盤となるデータベースを構築した。酵素反応データとしてKEGG・BRENDA等を利用し、化合物データとして主としてPubChemデータベースを利用して、独自の酵素反応データベースを構築した。酵素反応情報としては、EC番号、生物種、遺伝子情報、基質・生成物、配列情報、活性情報といった各基本情報を集積し、基質・生成物の2項関係を中心にSQLにてデータベースを構築していくと同時に、ウェブサーバを構築した。また、酵素反応データの妥当性評価のための反応方向性、生物種情報、配列情報などを指標に独自基準を設定することで、マニュアルキュレーションを実施し、計3万余エントリのデータベースを構築した。
これと並行して、酵素反応の選択性と多様性の観点から生物・化学情報解析を進め、任意の基質・生成物ならびに化合物ペアに対して酵素遺伝子候補を選択していく上での基準を明らかにするための情報解析を行った。一つは、代謝設計により推定される酵素反応に対して酵素遺伝子配列候補を提示するために、主として配列アラインメント、クラスタリングといった生物情報（配列）解析により、遺伝子配列の多様性を担保しつつ、遺伝子配列候補を選択する方法を開発した。さらに、化学構造・反応の類似度比較といった化学情報解析と酵素遺伝子配列の生物情報解析を組み合わせることで、任意の基質・生成物ならびに化合物ペアに対して酵素遺伝子配列候補を選択していくための学習・判別器のプロトタイプを生成した。これを利用して、既知データ以外にも推定データを含めた酵素反応データベースの拡張を行い、こうした情報を付加した代謝パスウェイを視覚化できるシステムを開発した。

Research Products

• [Journal Article] A Systematic Approach to Time-series Metabolite Profiling and RNA-seq Analysis of Chinese Hamster Ovary Cell Culture (2017)
  • Author(s): Hsu, HH., Araki, M., Mochizuki, M., Hori, Y., Murata, M., Kahar, P., Yoshida, T., Hasunuma, T. and Kondo A.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Pages: 43518
  • DOI: 10.1038/srep43518
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Application of LC-MS/MS analysis for time-lapse amino acid metabolomics analysis in CHO cell culture (2017)
  • Author(s): Hsu, H.H., Hasunuma, T., Araki, M., Yoshida, T., Hori, Y., Murata, M., Kondo, A.
  • Journal Title: Shimadzu Journal Volume: 5 Pages: 17
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Targeted nucleotide editing using hybrid prokaryotic and vertebrate adaptive immune systems (2016)
  • Author(s): Nishida, K., Arazoe, T., Yachie, N., Banno, S., Kakimoto, M., Tabata, M., Mochizuki, M., Miyabe, A., Araki, M., Hara, K.Y., Shimatani, Z. and Kondo, A.
  • Journal Title: Science Volume: 353 Pages: aaf8729
  • DOI: 10.1126/science.aaf8729
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 代謝経路デザインの限界 (2017)
  • Author(s): 荒木通啓
  • Organizer: 第11回日本ゲノム微生物学会年会
  • Place of Presentation: 慶応義塾大学（神奈川県、藤沢市）
  • Year and Date: 2017-03-03 – 2017-03-03
  • Invited
• [Presentation] バイオプロセスデザインプラットフォームの構築 (2016)
  • Author(s): 牧口 大旭、小川 哲平、荒木通啓
  • Organizer: 第39回日本分子生物学会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県、横浜市）
  • Year and Date: 2016-12-01 – 2016-12-01
• [Presentation] Development of Design Platform for Metabolic Pathways (2016)
  • Author(s): Ogawa, T., Makiguchi, H. and Araki, M
  • Organizer: 生命医薬情報学連合大会2016年大会
  • Place of Presentation: 東京国際交流館プラザ平成（東京都）
  • Year and Date: 2016-09-29 – 2016-09-30
• [Presentation] スマートセル開発に向けたIT/AI技術の展望 (2016)
  • Author(s): 荒木通啓
  • Organizer: 産業構造審議会 商務流通情報分科会 バイオ小委員会（第4回）
  • Place of Presentation: 経済産業省（東京都）
  • Year and Date: 2016-04-18 – 2016-04-18
  • Invited