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

• 研究領域: 超地球生命体を解き明かすポストコッホ機能生態学
• 研究課題/領域番号: 19H05688
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 複合領域
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 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)
• 研究分担者: 岩崎 渉 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (50545019)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 90,740千円 (直接経費: 69,800千円、間接経費: 20,940千円); 2023年度: 16,770千円 (直接経費: 12,900千円、間接経費: 3,870千円); 2022年度: 16,770千円 (直接経費: 12,900千円、間接経費: 3,870千円); 2021年度: 16,770千円 (直接経費: 12,900千円、間接経費: 3,870千円); 2020年度: 16,770千円 (直接経費: 12,900千円、間接経費: 3,870千円); 2019年度: 23,660千円 (直接経費: 18,200千円、間接経費: 5,460千円)
• キーワード: バイオインフォマティクス / ネットワーク / 微生物ダークマター / 機能インフォマティクス / ポストコッホ生態 / 微生物生態学 / 窒素循環 / 微生物形態 / ポストコッホ生態系 / データベース / 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

研究開始時の研究の概要

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。

研究実績の概要

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を新たなアプローチに基づき解析を行なった。以下に顕著な成果を列挙する。（1） ネットワーク解析技術に基づいて形質と相互作用の関係を定量的に検出する手法である「NeTaGFT」を開発し、実際に相互作用の強度に寄与する形質の組み合わせを明らかにすることができた。（２） 液液相分離に関与するタンパク質（LLPS関連タンパク質）を高精度に推定する「Seq2Phase」を開発し、圃場においても大量かつ新規のLLPS関連タンパク質が存在することが明らかになった。（３） Bac2Featureを適用したTrait-basedapproachによる解析もさらに進展した。本年度は特に進化系統樹上で進化のパターンを検出する手法である「系統比較法」をバクテリアの形質情報に適用することに成功し、形質の組み合わせによっては進化のDead-endにハマってしまったり、逆にEvolvabilityを向上させるような組み合わせがあることも示唆された。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] NeTaGFT: A similarity network‐based method for trait analysis (2023)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Hirotaka、Matsui Motomu
  • 雑誌名: Methods in Ecology and Evolution 巻: 15 号: 1 ページ: 153-163
  • DOI: 10.1111/2041-210x.14251
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Seq2Phase: language model-based accurate prediction of client proteins in liquid-liquid phase separation (2023)
  • 著者名/発表者名: Miyata Kazuki、Iwasaki Wataru
  • 雑誌名: Bioinformatics Advances 巻: 4 号: 1
  • DOI: 10.1093/bioadv/vbad189
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] AlphaCutter: Efficient removal of non‐globular regions from predicted protein structures (2023)
  • 著者名/発表者名: Tam Chunlai、Iwasaki Wataru
  • 雑誌名: PROTEOMICS 巻: 23 号: 16 ページ: 2300176-2300176
  • DOI: 10.1002/pmic.202300176
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Machine learning enables prediction of metabolic system evolution in bacteria (2023)
  • 著者名/発表者名: Konno Naoki、Iwasaki Wataru
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 9 号: 2
  • DOI: 10.1126/sciadv.adc9130
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: 松井 求
  • 雑誌名: 日本微生物生態学会誌 巻: 37 号: 1 ページ: 37-39
  • DOI: 10.20709/jsmeja.37.1_37
  • ISSN: 2424-1989
  • 年月日: 2022-03-01
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Nondestructive microbial discrimination using single-cell Raman spectra and random forest machine learning algorithm (2022)
  • 著者名/発表者名: Kanno Nanako、Kato Shingo、Ohkuma Moriya、Matsui Motomu、Iwasaki Wataru、Shigeto Shinsuke
  • 雑誌名: STAR Protocols 巻: 3 号: 4 ページ: 101812-101812
  • DOI: 10.1016/j.xpro.2022.101812
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Lifestyle Evolution Analysis by Binary-State Speciation and Extinction (BiSSE) Model (2022)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Takao K.、Matsui Motomu、Sriswasdi Sira、Iwasaki Wataru
  • 雑誌名: Methods in Molecular Biology 巻: 2569 ページ: 327-342
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-2691-7_16
  • ISBN: 9781071626900, 9781071626917
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unexpected absence of ribosomal protein genes from metagenome-assembled genomes (2022)
  • 著者名/発表者名: Mise Kazumori、Iwasaki Wataru
  • 雑誌名: ISME Communications 巻: 2 号: 1 ページ: 118-118
  • DOI: 10.1038/s43705-022-00204-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mirage 2.0: fast and memory-efficient reconstruction of gene-content evolution considering heterogeneous evolutionary patterns among gene families (2022)
  • 著者名/発表者名: Tsukasa Fukunaga、Wataru Iwasaki
  • 雑誌名: Bioinformatics 巻: 38 号: 16 ページ: 4039-4041
  • DOI: 10.1093/bioinformatics/btac433
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Inverse Potts model improves accuracy of phylogenetic profiling (2022)
  • 著者名/発表者名: Fukunaga Tsukasa、Iwasaki Wataru
  • 雑誌名: Bioinformatics 巻: 38 号: 7 ページ: 1794-1800
  • DOI: 10.1093/bioinformatics/btac034
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Deep distributed computing to reconstruct extremely large lineage trees (2022)
  • 著者名/発表者名: Konno Naoki、Kijima Yusuke、Watano Keito、Ishiguro Soh、Ono Keiichiro、Tanaka Mamoru、Mori Hideto、Masuyama Nanami、Pratt Dexter、Ideker Trey、Iwasaki Wataru、Yachie Nozomu
  • 雑誌名: Nature Biotechnology 巻: 40 号: 4 ページ: 566-575
  • DOI: 10.1038/s41587-021-01111-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Machine learning-assisted single-cell Raman fingerprinting for in situ and nondestructive classification of prokaryotes (2021)
  • 著者名/発表者名: Nanako Kanno、Shingo Kato、Moriya Ohkuma、Motomu Matsui、Wataru Iwasaki、Shinsuke Shigeto
  • 雑誌名: iScience 巻: 24 号: 9 ページ: 102975-102975
  • DOI: 10.1016/j.isci.2021.102975
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 分子系統解析の最前線 (2021)
  • 著者名/発表者名: 松井 求
  • 雑誌名: JSBi Bioinformatics Review 巻: 2 号: 1 ページ: 30-57
  • DOI: 10.11234/jsbibr.2021.7
  • NAID: 130008101617
  • ISSN: 2435-7022
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mirage: estimation of ancestral gene-copy numbers by considering different evolutionary patterns among gene families (2021)
  • 著者名/発表者名: Fukunaga Tsukasa、Iwasaki Wataru
  • 雑誌名: Bioinformatics Advances 巻: 1 号: 1
  • DOI: 10.1093/bioadv/vbab014
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Graph Splitting: A Graph-Based Approach for Superfamily-Scale Phylogenetic Tree Reconstruction (2019)
  • 著者名/発表者名: Matsui Motomu、Iwasaki Wataru
  • 雑誌名: Systematic Biology 巻: 69 ページ: 265-279
  • DOI: 10.1093/sysbio/syz049
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Reconstructing Phylogenetic Reconstruction (2024)
  • 著者名/発表者名: Motomu Matsui
  • 学会等名: DATA SCIENCE FOR GENOME DYNAMICS
  • 招待講演
• [学会発表] バイオインフォマティクスが駆動する微生物科学 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松井求
  • 学会等名: 微生物科学イノベーション特論II
  • 招待講演
• [学会発表] 分子系統学の進化可能性を考える (2023)
  • 著者名/発表者名: 松井求
  • 学会等名: Intelligence and Cultural Evolution Theoryワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] Tree of Lifeは完成できるか? (2023)
  • 著者名/発表者名: 松井求
  • 学会等名: IIBMP2023
  • 招待講演
• [学会発表] 環境微生物研究におけるバイオインフォマティクス活用法 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松井求
  • 学会等名: アグリバイオ
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 松井求
  • 学会等名: 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
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 松井求、岩崎渉
  • 学会等名: 新学術領域「ポストコッホ生態」第4回領域会議
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 藤吉真生、鈴木誉保、松井求、岩崎渉
  • 学会等名: 第24回日本進化学会
• [学会発表] シン・近隣結合法：PANJEP法が問い直す系統解析の常識 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松井求、岩崎渉
  • 学会等名: 第24回日本進化学会
• [学会発表] 系統樹推定の常識を問い直す (2022)
  • 著者名/発表者名: 松井求
  • 学会等名: 国立遺伝学研究所研究集会
  • 招待講演
• [学会発表] ポストコッホ機能生態学が目指すもの (2022)
  • 著者名/発表者名: 松井求
  • 学会等名: ポストコッホ生態研究集会
  • 招待講演
• [学会発表] 微生物群集は普遍的に極めて安定な形質組成を持つ (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第35回日本微生物生態学会
• [学会発表] Bac2Feature による微生物群集の表現型解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 藤吉真生、鈴木誉保、松井求、岩崎渉
  • 学会等名: 第35回日本微生物生態学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第35回日本微生物生態学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: Motohiro Akashi, Motomu Matsui, Susumu Morigasaki, Hisayoshi Hayashi, Naoki Takaya, and Wataru Iwasaki
  • 学会等名: 日本微生物生態学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: Motomu Matsui
  • 学会等名: IIBMP2021
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: Motomu Matsui
  • 学会等名: 第23回日本進化学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: Motomu Matsui and Wataru Iwasaki
  • 学会等名: 新学術領域「ポストコッホ生態」第3回領域会議
• [学会発表] Nondestructive prokaryotic species discrimination using single-cell Raman spectroscopy and machine learning (2021)
  • 著者名/発表者名: Nanako Kanno, Shingo Kato, Motomu Matsui and Shinsuke Shigeto
  • 学会等名: 日本農芸化学会
• [学会発表] ウイルスの初期進化と高速進化を解き明かす (2020)
  • 著者名/発表者名: Motomu Matsui
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会
• [学会発表] Graph Splitting: A Graph-Based Approach for Superfamily-Scale Phylogenetic Tree Reconstruction (2020)
  • 著者名/発表者名: Motomu Matsui and Wataru Iwasaki
  • 学会等名: IIBMP2020
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: Motomu Matsui and Wataru Iwasaki
  • 学会等名: 新学術領域「ポストコッホ生態」第2回領域会議
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: Motomu Matsui and Wataru Iwasaki
  • 学会等名: 第21回日本進化学会
• [備考] Graph Splitting portal
  • URL: http://gs.bs.s.u-tokyo.ac.jp/