• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 前のページに戻る

分離化学とAI解析の融合による分子認識科学としてのDNAアプタオミクス

研究課題

研究課題/領域番号 23K23372
補助金の研究課題番号 22H02104 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分34020:分析化学関連
研究機関埼玉大学

研究代表者

齋藤 伸吾  埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (60343018)

研究分担者 半田 友衣子  埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (20586599)
鈴木 陽太  埼玉大学, 理工学研究科, 助教 (30981592)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)
2025年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
2024年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
2023年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)
2022年度: 7,150千円 (直接経費: 5,500千円、間接経費: 1,650千円)
キーワードDNAアプタマー / 電気泳動 / 機械学習 / エクソソーム / in vitro選抜 / キャピラリー電気泳動
研究開始時の研究の概要

分析化学的アプローチに基づく高機能性分子認識素子としてのDNAアプタマーの創製およびその分析化学的応用を目指す。具体的には,多様なDNA配列の集合体であるランダムDNAライブラリーと標的物質(タンパク質,エクソソーム,細胞,ウィルス)を混合し,その中から標的と結合するDNAアプタマー配列を,高度な電気泳動分離によって選抜する。選抜後は,標的ごとの大規模な配列データ群が得られるが,それらをAI解析(クラスタリングやディープラーニング)することで,標的物質と強くかつ選択的に結合する配列を獲得する技術の確立を行う。

研究実績の概要

本研究の目的は「1.高度な分離科学および機械学習によって,アプタマー配列選抜を可能にし,様々な標的物質(タンパク質,エクソソーム,細胞,ウィルス)に対する高機能(高親和性・高選択性・立体構造変化など)なアプタマーを創製すること」また,これを「2.新しい分子認識科学分野“DNA Aptaomics”として確立すること」である。具体的には,1ラウンド-キャピラリー電気泳動(SR-CE)によるDNAアプタマーの選抜技術によって得られる大規模配列データのAI解析によってアプタマー配列データベースを構築する。AI解析としてクラスタリングによる結合能を予測と,ディープラーニングによる選択性を予測する手法を確立する。これにより,本研究の学術的問いである,「分離科学とAI解析の融合によって高機能性アプタマー(分子認識可能な一本鎖DNA)を自在に獲得できるか」に挑戦する。
今年度は,前年度までに行ったHelaおよびHL-60細胞由来のエクソソーム(Exo)に対するSR-CE選抜によって得たDNA選抜プールの配列解析結果から,アプタマー候補配列の結合評価を行い,Hela由来Exoに選択的なアプタマーの獲得に成功した。さらに,レジオネラ菌,大腸菌,枯草菌,アデノウィルスのSR-CE選抜を実施し,選抜プールの獲得に成功した。
また,種々の人工分子導入型ライブラリーを用いたVEGFに対する選抜プールについてディープラーニングによる分類を行い,人工分子(アミン,ナフタレン,シクロデキストリン)導入によって選抜プール内に異なる特徴が発現することが判明した。
以上のようにDNAアプタマーの獲得,さらなる選抜および機械学習を用いる解析に成功し,次年度に繋がる研究成果を得た。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

1~2年目の2年間の目標は(1)複数種のExoやウィルスに対するSR-CE選抜法を開発し,Exo,ウィルス,タンパク質および細胞に対するデータをディープラーニングに導入し,選択性が獲得できるかの実証実験を行うこと,(2)人工分子導入型ライブラリーを使った選抜を進めること,の二点であった。
(1)に関しては複数種のExoに対して選択的なアプタマーの獲得に成功し,引き続き,機械学習を用いるウィルスやタンパク質に対する選択的アプタマーの判別の検証実験に入っており,当初の計画通りに順調に進捗している。(2)についてもナフタレン,シクロデキストリン,フルオロベンゼン,プロピルアミン修飾プライマーを導入したライブラリーを用いた選抜をタンパク質(VEGF)に対して行い,配列決定および機械学習(ディープラーニング,クラスタリング)を実施済みである。以上のように本課題は順調に進展している。

今後の研究の推進方策

3年目である今年度は以下の研究を中心に進める。(1)細菌類やウィルスの選抜プールに対し,ディープラーニングによる結合選択性の判別ができるかを結合実験等により検証する。(2)人工分子導入型ライブラリーを用いたSR-CE選抜結果から得られた配列が従来のアプタマーを超える性能を有するかを検証する。また,どのような官能基を天然型DNAライブラリーに導入することが有効であるかも検証する。(3)上記で得たタンパク質,細菌類,ウィルス等の10を超える選抜プールがディープラーニングによって判別可能な特徴量を有する配列の集合体であるかを検証する。この際,ディープラーニングやクラスタリングのプログラムのアルゴリズムも書き換えて改良する。(3)については3~4年目の2年間に渡って検証する予定である。

報告書

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

    (21件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (15件) (うち招待講演 3件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Determination of 90Sr in highly radioactive aqueous samples via conversion to a kinetically stable 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetic acid complex followed by concentration-separation-fractionation based on capillary electrophoresis-liquid scintillation2024

    • 著者名/発表者名
      Ouchi Kazuki、Haraga Tomoko、Hirose Kazuki、Kurosawa Yuika、Sato Yoshiyuki、Shibukawa Masami、Saito Shingo
    • 雑誌名

      Analytica Chimica Acta

      巻: 1298 ページ: 342399-342399

    • DOI

      10.1016/j.aca.2024.342399

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Holo/apo conversion two-dimensional urea PAGE for speciation of Fe3+-bound transferrin in serum2023

    • 著者名/発表者名
      Saito Shingo、Ishikawa Junko、Ono Moe、Tasaki-Handa Yuiko、Shibukawa Masami
    • 雑誌名

      Analytical Sciences

      巻: 40 号: 2 ページ: 227-233

    • DOI

      10.1007/s44211-023-00460-z

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Americium(III)/Curium(III) Complete Separation and Sensitive Fluorescence Detection by Capillary and Gel Electrophoresis Using Emissive Hexadentate/Octadentate Polyaminocarboxylate Ligands2023

    • 著者名/発表者名
      Saito Shingo、Haraga Tomoko、Marumo Kazuki、Sato Yoshiyuki、Nakano Yuta、Tasaki-Handa Yuiko、Shibukawa Masami
    • 雑誌名

      Bulletin of the Chemical Society of Japan

      巻: 96 号: 3 ページ: 223-225

    • DOI

      10.1246/bcsj.20220346

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Unusually Kinetically Inert Monocationic Neptunyl Complex with a Fluorescein-Modified 1,10-Phenanthroline-2,9-dicarboxylate Ligand: Specific Separation and Detection in Gel Electrophoresis2023

    • 著者名/発表者名
      Yamagata Kazuhito、Ouchi Kazuki、Marumo Kazuki、Tasaki-Handa Yuiko、Haraga Tomoko、Saito Shingo
    • 雑誌名

      Inorganic Chemistry

      巻: 62 号: 2 ページ: 730-738

    • DOI

      10.1021/acs.inorgchem.2c02908

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 新規Legionella pneumophila結合型 DNAアプタマー-金ナノ粒子コンジュゲートを用いる簡易細菌分析法2023

    • 著者名/発表者名
      松永光司,佐藤久,半田友衣子,齋藤伸吾
    • 学会等名
      第83回分析化学討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 高親和性 VEGF結合型アプタマー獲得のためのCE選抜におけるアプタオミクスアプローチ2023

    • 著者名/発表者名
      細渕竜真,太田和希,半田友衣子,齋藤伸吾
    • 学会等名
      第83回分析化学討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ナフタレン導入型 DNAライブラリーを用いるVEGF結合性アプタマーのシングルラウンド CE選抜2023

    • 著者名/発表者名
      杉山開,太田和希,半田友衣子,齋藤伸吾
    • 学会等名
      第83回分析化学討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 新規Legionella pneumophila結合型DNAアプタマー-金ナノ粒子コンジュゲートを用いる簡易細菌分析法2023

    • 著者名/発表者名
      松永光司,佐藤久,半田友衣子,齋藤伸吾
    • 学会等名
      令和5年度東日本分析化学若手交流会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] DNAアプタマー選抜を科学する2023

    • 著者名/発表者名
      齋藤伸吾
    • 学会等名
      化学とマイクロ・ナノシステム学会 第48回研究会(CHEMINAS 48)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 特異的相互作用を示す物質を探索するための電気泳動法の開発2023

    • 著者名/発表者名
      齋藤伸吾
    • 学会等名
      第43回キャピラリー電気泳動シンポジウム(SCE2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 高分子増強-キャピラリー過渡的等速電気泳動法を用いる生体粒子に対するDNAアプタマー選抜2023

    • 著者名/発表者名
      松永光司,佐藤久,半田友衣子,齋藤伸吾
    • 学会等名
      第43回キャピラリー電気泳動シンポジウム(SCE2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 高分子増強-キャピラリー過渡的等速電気泳動法による生体粒子結合型DNAアプタマーの探索2023

    • 著者名/発表者名
      松永光司,佐藤久,半田友衣子,齋藤伸吾
    • 学会等名
      第6回生体膜デザインコンファレンス
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 高分子増強-キャピラリー過渡的等速電気泳動法による生体粒子結合型新規DNAアプタマーの探索2023

    • 著者名/発表者名
      松永光司,西山佳孝,佐藤久,半田友衣子,齋藤伸吾
    • 学会等名
      第58回日本水環境学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] CEを用いるトロンビン-DNAアプタマー三元錯体の解離速度解析と高阻害活性アプタマーペアの選抜2022

    • 著者名/発表者名
      常原佑睦,吉本敬太郎,半田友衣子,齋藤伸吾
    • 学会等名
      第82回分析化学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 高分子増強キャピラリー等速電気泳動法を用いるHeLa細胞由来エクソソーム結合型 DNAアプタマーの選抜2022

    • 著者名/発表者名
      関優沙,田中直輝,松永光司,半田友衣子,佐藤久,齋藤伸吾
    • 学会等名
      第82回分析化学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 蛍光偏光解消法を用いるジボロン酸修飾スクアリリウム色素によるエクソソーム表面糖鎖の認識2022

    • 著者名/発表者名
      佐々木佑真,半田友衣子,前田壮志,齋藤伸吾
    • 学会等名
      日本分析化学会第71年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] cDNA displayを用いる VEGFタンパク質結合型環状ペプチドの CE選抜法の開発2022

    • 著者名/発表者名
      村田歩美,秋智元,村上泰平,半田友衣子,根本直人,齋藤伸吾
    • 学会等名
      日本分析化学会第71年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] cDNAディスプレイを用いる細胞外小胞およびタンパク質を標的とする環状ペプチドアプタマーのCE選抜2022

    • 著者名/発表者名
      村田歩美,齋藤伸吾
    • 学会等名
      第42回キャピラリー電気泳動シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] CE と機械学習による DNA アプタマー選抜2022

    • 著者名/発表者名
      齋藤伸吾
    • 学会等名
      第42回キャピラリー電気泳動シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [備考] 齋藤研究室HP

    • URL

      https://www.apc.saitama-u.ac.jp/bunseki/index.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 齋藤研究室HP

    • URL

      http://www.apc.saitama-u.ac.jp/bunseki/index.html

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi