機能インフォマティクスが解き明かすポストコッホ生態系

• Project Area: Post-Koch Ecology: The next-era microbial ecology that elucidates the super-terrestrial organism system
• Project/Area Number: 19H05688
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 松井 求 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 特任助教 (10803728)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岩崎 渉 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (50545019)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥90,740,000 (Direct Cost: ¥69,800,000、Indirect Cost: ¥20,940,000); Fiscal Year 2023: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000); Fiscal Year 2022: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000); Fiscal Year 2021: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000); Fiscal Year 2020: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000); Fiscal Year 2019: ¥23,660,000 (Direct Cost: ¥18,200,000、Indirect Cost: ¥5,460,000)
• Keywords: バイオインフォマティクス / 微生物ダークマター / ポストコッホ生態系 / データベース / 機能インフォマティクス / ネットワーク / 微生物生態学 / 窒素循環 / 微生物形態 / 微生物相互作用 / ネットワーク解析 / メタゲノム解析 / 微生物生態

Outline of Research at the Start

本研究計画ではまず、生態学と情報学の新たな複合領域である「機能インフォマティクス」を創成する。本領域が収集する情報は(i) 環境コンテキストと微生物メタゲノム、(ii) 微生物機能情報に紐づけられた個々の種のゲノム情報、(iii) メタボロームと代謝パスウェイ遺伝子の共起関係、のように従来の解析に用いられる情報よりも圧倒的に多様かつ多量である。そこで、高次元・大規模な環境コンテキスト情報から「微生物が発現する機能と環境の相関」を明らかにするための新規情報処理技術を開発する。次に、集積された情報に本技術を適用し、領域が設定するモデル圃場の「ポストコッホ機能生態系モデル」を創成する。

Outline of Annual Research Achievements

本領域は「持続可能な地球を創生するための技術開発」を究極の目標と定め、その基盤として「微生物の生理機能に裏付けられた生態系の理解」を目指す。そのためには「生態系の成り立ち」と「微生物と環境の相互作用」の両方の理解が必要不可欠である。しかし、自然界に存在する大部分の微生物が未分離・未解明(微生物ダークマター)である、生態系をめぐる環境の情報が不足している、という二つの理由から、いずれの理解もほとんど進んでいなかった。
本年度は、前年度に引き続き、構築したデータ集積プラットホームを活用し、圃場から得られる様々な情報の統合解析を行なった。
まず、時系列アンプリコンシーケンスデータと環境コンテキスト情報を組み合わせた解析では、クロルピクリン処理に応じて、微生物叢がダイナミックに変化することが明らかになり、さらに窒素栄養源の有無とクロルピクリン処理による撹乱、の合わせて３点のアトラクタが存在することが示唆された。また、ショットガンメタゲノム解析からは、プラスミドを含む外部遺伝子資源が広域宿主によって共有されていることが示唆された。さらにBac2Featureを適用したTrait-based approachによる解析では、上記のクロルピクリン処理に応じた微生物ダイナミクスは、形質組成の変化が種組成の変化に先行することによって生じていることが分かり、微生物ダークマターを含めた微生物叢の群集としての秩序形成過程が明らかになった。
また、領域の各先生方との共同研究も進んでいる。特に、重藤真介教授と共同で開発した「ラマン分光解析に基づく非破壊細胞識別技術」は機械学習手法と一細胞ラマン分光解析技術を組み合わることで、非破壊かつ単一細胞レベルで原核生物種をほぼ100%の精度で分類できるものであり、本年度はそれを誰でも使えるプロトコルの形でまとめ、公表することができた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の目的通り、引き続き、これまでに構築したデータ集積プラットホームを活用した多様な研究を進めることができた。例えば、微生物の形態情報を効率的に解析するために開発した「Bac2Feature(バックトゥザフィーチャー)」を適用したTrait-based approachによる解析では、微生物群集の動態の駆動力や、機能と環境コンテキストとの複雑な相互作用を詳細に明らかにすることができた。これはまさにデータ集積プラットホームの有効な活用事例であり、当初の想定以上に本プラットホームが有用であることを示すことになった。
また、アンプリコンシーケンス、およびショットガンメタゲノムの両方を組み合わせた解析では、農薬処理や施肥条件の差異と微生物動態を直接的に結びつけるような因子を特定することができ、これは「持続可能な地球を創生するための技術開発」という壮大な目標へ一歩踏み出すような成果であると考えている。さらに重藤真介教授との共同研究でも、前年度の成果をさらに発展させる形で微生物のラマン分光解析のプロコトル論文を年度内に出版することができ、領域にとっても重要な成果をもう一つ、結実することができた。

Strategy for Future Research Activity

翌年度は、研究計画の最終年度となるため、これまでに明らかにすることができた微生物群集の動態や機能や動態に関する知見と、構築してきたデータベースや手法を活用しながら、種や遺伝子の共起関係、代謝パスウェイ、微生物と環境の相互作用からなる「ポストコッホ機能生態系モデル」の構築に引き続き取り組み、まとめたい。
具体的には、Bac2FeatureやGraph Splitting法のように、これまでに開発した我々独自のツールの有効性を示しながら同時にそれらを活用し、さらにショットガンメタゲノム解析、系統プロファイリング法などさまざまな方法を駆使して、圃場における微生物生態系の理解を深める予定である。特にこれまでの研究で見出してきた（１）微生物叢の複数のアトラクタの存在、（２）形質組成が駆動する種組成復元過程、（３）群集代謝のロバストネスと応答性のトレードオフ、といったテーマで複数の論文を執筆する予定である。
また、領域内のさまざまな先生方との共同研究もさらに積極的に進め、領域全体の力を結集することで「ポストコッホ機能生態系モデル」の精緻化にも、引き続き取り組んでいきたいと考えている。例えば、モデルが予測した種間相互作用や細胞内代謝遺伝子クラスターの情報を各専門チームに還元して検証する、あるいは難培養性細菌種と共起する微生物種を予測することで可培養化の効率向上を試みるといったことを行う予定である。

Research Products

• [Journal Article] Machine learning enables prediction of metabolic system evolution in bacteria (2023)
  • Author(s): Naoki Konno、Wataru Iwasaki
  • Journal Title: Science Advances Volume: 9 Issue: 2 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1126/sciadv.adc9130
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] バイオインフォマティクスでポストコッホ生態系を解き明かす (2022)
  • Author(s): 松井 求
  • Journal Title: Japanese Society of Microbial Ecology Volume: 37 Issue: 1 Pages: 37-39
  • DOI: 10.20709/jsmeja.37.1_37
  • ISSN: 2424-1989
  • Year and Date: 2022-03-01
  • Open Access
• [Journal Article] Nondestructive microbial discrimination using single-cell Raman spectra and random forest machine learning algorithm (2022)
  • Author(s): Kanno Nanako、Kato Shingo、Ohkuma Moriya、Matsui Motomu、Iwasaki Wataru、Shigeto Shinsuke
  • Journal Title: STAR Protocols Volume: 3 Issue: 4 Pages: 101812-101812
  • DOI: 10.1016/j.xpro.2022.101812
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Lifestyle Evolution Analysis by Binary-State Speciation and Extinction (BiSSE) Model (2022)
  • Author(s): Suzuki Takao K.、Matsui Motomu、Sriswasdi Sira、Iwasaki Wataru
  • Journal Title: Methods in Molecular Biology Volume: 2569 Pages: 327-342
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-2691-7_16
  • ISBN: 9781071626900, 9781071626917
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Unexpected absence of ribosomal protein genes from metagenome-assembled genomes (2022)
  • Author(s): Mise Kazumori、Iwasaki Wataru
  • Journal Title: ISME Communications Volume: 2 Issue: 1 Pages: 118-118
  • DOI: 10.1038/s43705-022-00204-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mirage 2.0: fast and memory-efficient reconstruction of gene-content evolution considering heterogeneous evolutionary patterns among gene families (2022)
  • Author(s): Tsukasa Fukunaga、Wataru Iwasaki
  • Journal Title: Bioinformatics Volume: 38 Issue: 16 Pages: 4039-4041
  • DOI: 10.1093/bioinformatics/btac433
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Inverse Potts model improves accuracy of phylogenetic profiling (2022)
  • Author(s): Fukunaga Tsukasa、Iwasaki Wataru
  • Journal Title: Bioinformatics Volume: 38 Issue: 7 Pages: 1794-1800
  • DOI: 10.1093/bioinformatics/btac034
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Deep distributed computing to reconstruct extremely large lineage trees (2022)
  • Author(s): Konno Naoki、Kijima Yusuke、Watano Keito、Ishiguro Soh、Ono Keiichiro、Tanaka Mamoru、Mori Hideto、Masuyama Nanami、Pratt Dexter、Ideker Trey、Iwasaki Wataru、Yachie Nozomu
  • Journal Title: Nature Biotechnology Volume: 40 Issue: 4 Pages: 566-575
  • DOI: 10.1038/s41587-021-01111-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Machine learning-assisted single-cell Raman fingerprinting for in situ and nondestructive classification of prokaryotes (2021)
  • Author(s): Nanako Kanno、Shingo Kato、Moriya Ohkuma、Motomu Matsui、Wataru Iwasaki、Shinsuke Shigeto
  • Journal Title: iScience Volume: 24 Issue: 9 Pages: 102975-102975
  • DOI: 10.1016/j.isci.2021.102975
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Frontier of Inferring Phylogenies (2021)
  • Author(s): 松井 求
  • Journal Title: JSBi Bioinformatics Review Volume: 2 Issue: 1 Pages: 30-57
  • DOI: 10.11234/jsbibr.2021.7
  • NAID: 130008101617
  • ISSN: 2435-7022
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mirage: estimation of ancestral gene-copy numbers by considering different evolutionary patterns among gene families (2021)
  • Author(s): Fukunaga Tsukasa、Iwasaki Wataru
  • Journal Title: Bioinformatics Advances Volume: 1 Issue: 1
  • DOI: 10.1093/bioadv/vbab014
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Graph Splitting: A Graph-Based Approach for Superfamily-Scale Phylogenetic Tree Reconstruction (2019)
  • Author(s): Matsui Motomu、Iwasaki Wataru
  • Journal Title: Systematic Biology Volume: 69 Pages: 265-279
  • DOI: 10.1093/sysbio/syz049
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 未培養微生物研究におけるバイオインフォマティクスの役割 (2022)
  • Author(s): 松井求
  • Organizer: 日本生物工学会バイオインフォマティクス相談部会第五回講演会
  • Invited
• [Presentation] 機能インフォマティクスが解き明かすポストコッホ生態系 (2022)
  • Author(s): 松井求、岩崎渉
  • Organizer: 新学術領域「ポストコッホ生態」第4回領域会議
• [Presentation] Bac2Feature：系統情報を利用した微生物の形質推定パイプライン (2022)
  • Author(s): 藤吉真生、鈴木誉保、松井求、岩崎渉
  • Organizer: 第24回日本進化学会
• [Presentation] シン・近隣結合法：PANJEP法が問い直す系統解析の常識 (2022)
  • Author(s): 松井求、岩崎渉
  • Organizer: 第24回日本進化学会
• [Presentation] 系統樹推定の常識を問い直す (2022)
  • Author(s): 松井求
  • Organizer: 国立遺伝学研究所研究集会
  • Invited
• [Presentation] ポストコッホ機能生態学が目指すもの (2022)
  • Author(s): 松井求
  • Organizer: ポストコッホ生態研究集会
  • Invited
• [Presentation] 微生物群集は普遍的に極めて安定な形質組成を持つ (2022)
  • Author(s): 鈴木誉保、松井求、森ヶ崎進、大津厳生、土肥裕希、林久喜、高谷直樹、岩崎渉
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会
• [Presentation] ポストコッホ生態学が解き明かす輪作に呼応した微生物動態 (2022)
  • Author(s): 松井求、明石基洋、鈴木誉保、藤吉真生、土肥裕希、森ヶ崎進、林久喜、高谷直樹、岩崎渉
  • Organizer: 第35回日本微生物生態学会
• [Presentation] Bac2Feature による微生物群集の表現型解析 (2022)
  • Author(s): 藤吉真生、鈴木誉保、松井求、岩崎渉
  • Organizer: 第35回日本微生物生態学会
• [Presentation] Trait-based アプローチでせまる 細菌の群集構造とその安定性 (2022)
  • Author(s): 鈴木誉保、松井求、森ヶ崎進、大津厳生、土肥裕希、河野祐介、林久喜、高谷直樹、岩崎渉
  • Organizer: 第35回日本微生物生態学会
• [Presentation] 施肥条件の異なる農地土壌の時系列ショットガンメタゲノム解析 (2021)
  • Author(s): Motohiro Akashi, Motomu Matsui, Susumu Morigasaki, Hisayoshi Hayashi, Naoki Takaya, and Wataru Iwasaki
  • Organizer: 日本微生物生態学会
• [Presentation] バイオインフォマティクスが解き明かすポストコッホ生態系 (2021)
  • Author(s): Motomu Matsui
  • Organizer: IIBMP2021
• [Presentation] アラインメントで問い直す系統樹推定の常識：GS法とNJ法 (2021)
  • Author(s): Motomu Matsui
  • Organizer: 第23回日本進化学会
• [Presentation] 機能インフォマティクスが解き明かすポストコッホ生態系 (2021)
  • Author(s): Motomu Matsui and Wataru Iwasaki
  • Organizer: 新学術領域「ポストコッホ生態」第3回領域会議
• [Presentation] Nondestructive prokaryotic species discrimination using single-cell Raman spectroscopy and machine learning (2021)
  • Author(s): Nanako Kanno, Shingo Kato, Motomu Matsui and Shinsuke Shigeto
  • Organizer: 日本農芸化学会
• [Presentation] ウイルスの初期進化と高速進化を解き明かす (2020)
  • Author(s): Motomu Matsui
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会
• [Presentation] Graph Splitting: A Graph-Based Approach for Superfamily-Scale Phylogenetic Tree Reconstruction (2020)
  • Author(s): Motomu Matsui and Wataru Iwasaki
  • Organizer: IIBMP2020
• [Presentation] 機能インフォマティクスが解き明かすポストコッホ生態系 (2020)
  • Author(s): Motomu Matsui and Wataru Iwasaki
  • Organizer: 新学術領域「ポストコッホ生態」第2回領域会議
• [Presentation] グラフに基づく新たな系統解析手法で隠れた遠距離進化を発掘する (2019)
  • Author(s): Motomu Matsui and Wataru Iwasaki
  • Organizer: 第21回日本進化学会
• [Remarks] Graph Splitting portal
  • URL: http://gs.bs.s.u-tokyo.ac.jp/