生物活性にもとづいた二次代謝パスウェイにおけるモジュール構造の解明

• 研究課題/領域番号: 16K07223
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: システムゲノム科学
• 研究機関: 奈良先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 金谷 重彦 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (90224584)
• 研究期間 (年度): 2016-10-21 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2018年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2017年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円); 2016年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
• キーワード: 代謝マップ / グラフコンボリューションネットワーク / 深層学習 / 二次代謝物質 / アルカロイド / 生合成 / バイオインフォマティクス / データサイエンス / 部分環骨格構造 / 代謝パスウエイ / クラスター分析 / 代謝モジュール / 生体生命情報学 / ゲノム / 生物・生体工学

研究成果の概要

生命維持に関わる代謝物である一次代謝物に対して、即時に死に至らないが、太陽光防御、ストレス対応、対生物など生存にかかわる代謝物質を二次代謝物という。地球全体で生物が生合成する二次代謝物は、顕花植物に限っても102万種と推定されており、非常に多様な生物活性を有する。本研究では、このような要請にバイオインフォマティクスより応え、生物活性による二次代謝パスウェイの機能単位（代謝モジュール）を抽出する目的で二次代謝パスウエイデータベースを構築し、バイオインフォマティクス技術、特に、深層学習を活用し生物の進化の過程で創出された代謝パスウェイと生物活性の関係における法則性を見出した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

文献調査をもとに、640種のアルカロイドを中心に３０枚に及ぶ二次代謝経路マップを整理しウエブにより公開した。本代謝経路で、それぞれのアルカロイドの生合成開始物質を明確に確認できる。また、現在までに、12000種のアルカロイド化合物のうち深層学習により、10,051種について、生合成開始物質が予測でき、二次代謝経路予測における基盤となるデータを整備し、生物活性の関係も把握できる公開データベースを構築した。アルカロイド化合物の生合成開始物質の推定が可能になり、二次代謝研究における学術的意義が非常に高いことを示す。また、データを一般公開しており、社会的にも十分な貢献を果たしている。

研究成果

• [雑誌論文] An integrative network-based approach to identify novel disease genes and pathways: a case study in the context of inflammatory bowel disease (2018)
  • 著者名/発表者名: Eguchi, R., Karim, M. B., Hu, P., Sato, T., Ono, N., Kanaya, S., & Altaf-Ul-Amin, M.
  • 雑誌名: BMC bioinformatics 巻: 19(1) 号: 1 ページ: 264-264
  • DOI: 10.1186/s12859-018-2251-x
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular Components of Arabidopsis Intact Vacuoles Clarified with Metabolomic and Proteomic Analyses (2018)
  • 著者名/発表者名: Miwa Ohnishi, Aya Anegawa, Yuko Sugiyama, Kazuo Harada, Akira Oikawa, Yasumune Nakayama, Fumio Matsuda, Yukiko Nakamura, Ryosuke Sasaki, Chizuko Shichijo Patrick G. Hatcher, Hidehiro Fukaki, Shigehiko Kanaya, Koh Aoki, Mami Yamazaki, Eiichiro Fukusaki, Kazuki Saito, Tetsuro Mimura
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 69 ページ: 1353-1362
  • DOI: 10.1093/pcp/pcy069
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Metabolite-Content-Guided Prediction of Medicinal/Edible Properties in Plants for Bioprospecting (2018)
  • 著者名/発表者名: Liu K, Morita AH, Kanaya S, Atlaf-Ul-Amin M
  • 雑誌名: Curr Res Complement Altern Med 巻: CRCAM-130 ページ: 1-12
  • DOI: 10.29011/crcam-130/100030
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A novel plant classification method based on similarities in chemical structures of metabolite contents obtained from the KNApSAcK database (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Liu, Md. Altaf-Ul-Amin, A.A. Abdullah, A.H. Morita, M. Shiraishi, S. Kanaya
  • 雑誌名: Acta horticulturae 巻: 1169 号: 1169 ページ: 139-150
  • DOI: 10.17660/actahortic.2017.1169.21
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Novel Approach to Classify Plants Based on Metabolite-Content Similarity (2017)
  • 著者名/発表者名: Kang Liu,Azian Azamimi Abdullah,MingHuang,Takaaki Nishioka, Md.Altaf-Ul-Amin, Shigehiko Kanaya
  • 雑誌名: BioMed Research International 巻: 2017 ページ: 1-12
  • DOI: 10.1155/2017/5296729
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Big Data and Network Biology 2016 (2016)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Kanaya, Md Altaf-Ul-Amin, Samuel K Kiboi, Farit Mochamad Afendi
  • 雑誌名: BioMed research international 巻: 2017 ページ: 1-2
  • DOI: 10.1155/2017/9432460
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 二次代謝物の生合成経路の悉皆的解析を目指したデータサイエンス (2019)
  • 著者名/発表者名: 金谷 重彦
  • 学会等名: 第64回日本放線菌学会学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] データサイエンス全般から化学の話題まで (2019)
  • 著者名/発表者名: 金谷 重彦
  • 学会等名: Future Trend in Polymer Science
  • 招待講演
• [学会発表] Data Science - Current Challenge (2017)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Kanaya
  • 学会等名: Siri Seminar INBIOSIS
  • 発表場所: Universiti Kebangsaan Malaysia,Selangor, Malaysia
  • 招待講演
• [備考] アルカロイド代謝マップ
  • URL: http://www.knapsackfamily.com/CobWeb/top.jsp
• [備考] 代謝物活性データベース
  • URL: http://www.knapsackfamily.com/MetaboliteActivity/top.jsp
• [備考] KNApSAcK Family DB
  • URL: http://kanaya.naist.jp/KNApSAcK_Family/
• [備考] Metabolite Ecology
  • URL: http://kanaya.naist.jp/MetaboliteEcology/top.jsp