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機械学習を用いたバクテリア生命システム進化の法則解明・未来予測・実験検証

研究課題

研究課題/領域番号 22KJ1008
補助金の研究課題番号 22J20318 (2022)
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分基金 (2023)
補助金 (2022)
応募区分国内
審査区分 小区分45020:進化生物学関連
研究機関東京大学

研究代表者

今野 直輝  東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2023-03-08 – 2024-03-31
研究課題ステータス 中途終了 (2023年度)
配分額 *注記
3,400千円 (直接経費: 3,400千円)
2024年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
2023年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
2022年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
キーワード進化予測 / バクテリア / ゲノム進化 / 機械学習 / 遺伝子水平伝播 / 薬剤耐性
研究開始時の研究の概要

本研究は生命システムの進化における系統間に普遍的なルールを発見し、医学・生物工学に応用することを目的とする。前年度までに確立した遺伝子獲得・欠失によるゲノム進化の予測手法Evodictorを活用して薬剤耐性遺伝子を未来に獲得する確率が高い種を予測しデータベース化する。同時に、その予測に寄与している情報を調べることで耐性遺伝子の獲得に先んじて獲得されやすい遺伝子を同定し、さらにその遺伝子をノックアウトした大腸菌株を用いて実際に薬剤耐性遺伝子を獲得しにくくなっているのかを実験検証する。

研究実績の概要

本研究では、遺伝子獲得/欠失による生物の進化は予測できるのか、そしてその進化の予測をいかにして医学や生物工学の応用研究に活かせるのかを探求した。ド ライ解析とウェット実験を組み合わせ、次の3つの課題に取り組むことを目的とした:(1)ゲノム情報が豊富であるバクテリアを対象に、各遺伝子の獲得/欠失の予測を行う機械学習の手法の開発。 (2)薬剤耐性遺伝子の獲得の未来予測と、将来に耐性株が出現する危険性の高い種の解明。 (3)遺伝子獲得の未来予測と遺伝子導入実験の結果を比較による、進化のパターンの背後にあるメカニズムの実験的な検証。
我々は機械学習を用いて数億年以上にわたる原核生物の長期進化の過程における遺伝子獲得・欠失の順序のパターンを学習できる機 械学習フレームワークEvodictorを開発した。Evodictorはある遺伝子を獲得・欠失する際に、前もってどのような遺伝子を持っている・いない傾向があるのかを、数千種以上のゲノム情報をもとに学習し、次にある遺伝子を獲得・欠失しそうな種を予測することができる。Evodictorを用いて3000種程度のバクテリアのゲ ノム進化を解析し、代謝系全体の遺伝子獲得・欠失が有意に予測可能であること、そしてその背後には生理学的・生態学的に解釈可能な具体的な進化のルールが 存在することを発見した。これらの成果を論文として投稿し、”Machine learning enables prediction of metabolic system evolution in bacteria” (Konno and Iwasaki, 2023, Science Advances)として掲載されるに至った。
さらに遺伝子獲得の予測が可能である薬剤耐性遺伝子を絞り込むことで、特定の薬剤耐性遺伝子の獲得における普遍的な進化パターンを示唆した。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (17件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 3件、 招待講演 3件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Machine learning enables prediction of metabolic system evolution in bacteria2023

    • 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

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Molecular recorders to track cellular events2022

    • 著者名/発表者名
      Masuyama Nanami、Konno Naoki、Yachie Nozomu
    • 雑誌名

      Science

      巻: 377 号: 6605 ページ: 469-470

    • DOI

      10.1126/science.abo3471

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 情報×代謝×構造生物学で明かす二機能性デヒドロゲナーゼの収斂進化と複合体構造の多様化2024

    • 著者名/発表者名
      今野直輝, 三宅敬太, 大前公保, 柳澤春明, 吉川雅英, 岩崎渉
    • 学会等名
      第18回日本ゲノム微生物学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Evolution-guided prediction and experimental validation of antibiotic resistance spreading.2024

    • 著者名/発表者名
      Naoki Konno, Wataru Iwasaki
    • 学会等名
      生物普遍性ワークショップ
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Visualizing and delineating unobservable processes through massive DNA data - Cell Lineage and Evolution2023

    • 著者名/発表者名
      今野直輝
    • 学会等名
      The Second Annual MGH (Wellman) /UTokyo (C2CPT/WINGS-LST) Graduate Students Workshop 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
  • [学会発表] Predicting gene gain/loss evolution based on repeating long-term evolution2023

    • 著者名/発表者名
      Naoki Konno, Wataru Iwasaki
    • 学会等名
      日本進化学会第25回沖縄大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Machine learning predicts biological system evolution by gene gains and losses2023

    • 著者名/発表者名
      Naoki Konno, Wataru Iwasaki
    • 学会等名
      STATPHYS28 Satellite Meeting
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Machine learning predicts biological system evolution by gene gains and losses2023

    • 著者名/発表者名
      Naoki Konno
    • 学会等名
      RIKEN iTHEMSセミナー
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Machine learning predicts biological system evolution by gene gains and losses2023

    • 著者名/発表者名
      Naoki Konno
    • 学会等名
      iSCB EvolCompGen Webinar
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] フルクトースリッチな環境の乳酸菌に見られるゲノム収斂進化の法則性2023

    • 著者名/発表者名
      今野直輝, 前野慎太朗, 谷沢靖洋, 有田正規, 遠藤明仁, 岩崎渉
    • 学会等名
      第17回日本ゲノム微生物学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Predicting biological system evolution by gene gain and loss using Evodictor2023

    • 著者名/発表者名
      Naoki Konno, Wataru Iwasaki
    • 学会等名
      EMBO Workshop Predicting evolution
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 機械学習モデルが学んだ進化のパターンを実験室で証明する2023

    • 著者名/発表者名
      今野直輝, 岩崎渉.
    • 学会等名
      生命情報科学若手の会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] フルクトースリッチな環境の乳酸菌に見られるゲノム収斂進化の法則性2023

    • 著者名/発表者名
      今野直輝
    • 学会等名
      第17回日本ゲノム微生物学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Deep distributed computing to reconstruct extremely large lineage trees2022

    • 著者名/発表者名
      今野直輝
    • 学会等名
      2022年日本バイオインフォマティクス学会年会/第11回生命医薬情報学連合大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 進化と発生の系譜を網羅的に推定する情報解析技術の構築2022

    • 著者名/発表者名
      今野直輝
    • 学会等名
      生命情報科学若手の会第14回研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Evodictor: Prediction of prokaryotic gene gain/loss evolution2022

    • 著者名/発表者名
      今野直輝
    • 学会等名
      Congress of the Europian Society for Evolutionary Biology 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [備考] Evodictor ソフトウェア公開用GitHub

    • URL

      https://github.com/IwasakiLab/Evodictor

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

URL: 

公開日: 2022-04-28   更新日: 2024-12-25  

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