インテリジェント指向性進化法の創出と酵母への展開

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H00317
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 合田 圭介 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (70518696)
• 研究分担者: 上村 想太郎 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (00447442) ; 大矢 禎一 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (20183767)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 指向性進化法 / 細胞分取 / 酵母 / 発酵

研究実績の概要

本研究は、2018年に研究代表者らが開発した独自技術であるインテリジェント画像活性細胞選抜法(iIACS)[Nitta et al, Cell 175, 266 (2018)]を基盤に、従来手法よりも1000倍以上高速な「インテリジェント指向性進化法」を開発し、特定の形態を持つスーパー酵母の創出を目的とした研究である。最終年度は、細胞選抜の性能改良、細胞分取とシーケンシング、および社会実装を見据えた応用まで行った。まず、従来のiIACSでは撮像から分取位置までの到達予測精度が限定的であったため、機械学習を用いた分取タイミング予測法を開発した。画像から得られる細胞の形態や位置等の情報をもとに精度を向上させ、分取スピードを高めた。次に、異なる細胞株をiIACSでリアルタイムに判別するための学習モデルを構築し、これにより細胞株の混合懸濁液から狙いの株を分取し、回収した試料の遺伝子変異箇所をDNAシーケンシングによって同定した。従来は分取した細胞の顕微鏡画像による評価までにとどまっていたが、今回遺伝子型の同定まで行うことができ、iIACSにより出芽酵母の形態学的特徴と遺伝子情報の相関を確認した。これをランダム変異導入試料に適用することで、本研究の目指す指向性進化法のみならず酵母を用いた生理学的な研究に展開することができると期待される。最後に、iIACS装置で分取した酵母細胞のビール醸造テストを行った。狙いの酵母の株と同様の形態を持つ細胞を、iIACS装置のリアルタイム画像解析によって、複数種類の細胞株の混合懸濁液から分取した。これを培養し、ビールの醸造に用いた。以上により、iIACSを用いた酵母における指向性進化法のための基盤技術を構築し、酵母の選抜と選定細胞の解析、ビール醸造までの一連の技術検証を行い、インテリジェント指向性進化法の有用性とその応用展開性を実証することができた。

現在までの達成度 (段落)

令和4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4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] University of Virginia/Carnegie Institution of Science/Stanford University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: University of Virginia/Carnegie Institution of Science/Stanford University
  • 他の機関数: 2
• [国際共同研究] Nanyang Technological University(シンガポール)
  • 国名: シンガポール
  • 外国機関名: Nanyang Technological University
• [国際共同研究] Max Planck Institute(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Max Planck Institute
• [国際共同研究] Wuhan University/HKUST(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Wuhan University/HKUST
• [雑誌論文] Studying the efficacy of antiplatelet drugs on atherosclerosis by optofluidic imaging on a chip (2023)
  • 著者名/発表者名: Deng Yunjie、Tay Hui Min、Zhou Yuqi、Fei Xueer、Tang Xuke、Nishikawa Masako、Yatomi Yutaka、Hou Han Wei、Xiao Ting-Hui、Goda Keisuke
  • 雑誌名: Lab on a Chip 巻: 23 ページ: 410～420
  • DOI: 10.1039/d2lc00895e
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Virtual-freezing fluorescence imaging flow cytometry with 5-aminolevulinic acid stimulation and antibody labeling for detecting all forms of circulating tumor cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Matsumura Hiroki、Shen Larina Tzu-Wei、Isozaki Akihiro、Mikami Hideharu、Yuan Dan、Miura Taichi、Kondo Yuto、Mori Tomoko、Kusumoto Yoshika、Nishikawa Masako、Yasumoto Atsushi、Ueda Aya、Bando Hiroko、Hara Hisato、Liu Yuhong、Deng Yunjie、Sonoshita Masahiro、Yatomi Yutaka、Goda Keisuke、Matsusaka Satoshi
  • 雑誌名: Lab on a Chip 巻: 23 ページ: 1561～1575
  • DOI: 10.1039/d2lc00856d
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Real‐time intelligent classification of COVID‐19 and thrombosis via massive image‐based analysis of platelet aggregates (2023)
  • 著者名/発表者名: Zhang Chenqi、Herbig Maik、Zhou Yuqi、Nishikawa Masako、Shifat‐E‐Rabbi Mohammad、Kanno Hiroshi、Yang Ruoxi、Ibayashi Yuma、Xiao Ting‐Hui、Rohde Gustavo K.、Sato Masataka、Kodera Satoshi、Daimon Masao、Yatomi Yutaka、Goda Keisuke
  • 雑誌名: Cytometry Part A 巻: - ページ: 1～8
  • DOI: 10.1002/cyto.a.24721
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Understanding stenosis-induced platelet aggregation on a chip by high-speed optical imaging (2022)
  • 著者名/発表者名: Deng Yunjie、Duque Jaime Alvarez、Su Chengxun、Zhou Yuqi、Nishikawa Masako、Xiao Ting-Hui、Yatomi Yutaka、Hou Han Wei、Goda Keisuke
  • 雑誌名: Sensors and Actuators B: Chemical 巻: 356 ページ: 131318～131318
  • DOI: 10.1016/j.snb.2021.131318
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Intelligent image‐activated sorting of Chlamydomonas reinhardtii by mitochondrial localization (2022)
  • 著者名/発表者名: Harmon Jeffrey、Findinier Justin、Ishii Natsumi Tiffany、Herbig Maik、Isozaki Akihiro、Grossman Arthur、Goda Keisuke
  • 雑誌名: Cytometry Part A 巻: 101 ページ: 1027～1034
  • DOI: 10.1002/cyto.a.24661
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Best practices for reporting throughput in biomedical research (2022)
  • 著者名/発表者名: Herbig Maik、Isozaki Akihiro、Di Carlo Dino、Guck Jochen、Nitta Nao、Damoiseaux Robert、Kamikawaji Shogo、Suyama Eigo、Shintaku Hirofumi、Wu Angela Ruohao、Nikaido Itoshi、Goda Keisuke
  • 雑誌名: Nature Methods 巻: 19 ページ: 633～634
  • DOI: 10.1038/s41592-022-01483-6
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Intelligent sort‐timing prediction for image‐activated cell sorting (2022)
  • 著者名/発表者名: Zhao Yaqi、Isozaki Akihiro、Herbig Maik、Hayashi Mika、Hiramatsu Kotaro、Yamazaki Sota、Kondo Naoko、Ohnuki Shinsuke、Ohya Yoshikazu、Nitta Nao、Goda Keisuke
  • 雑誌名: Cytometry Part A 巻: 103 ページ: 88～97
  • DOI: 10.1002/cyto.a.24664
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Long‐term effects of Pfizer‐BioNTech COVID‐19 vaccinations on platelets (2022)
  • 著者名/発表者名: Zhou Yuqi、Nishikawa Masako、Kanno Hiroshi、Yang Ruoxi、Ibayashi Yuma、Xiao Ting‐Hui、Peterson Walker、Herbig Maik、Nitta Nao、Miyata Shigeki、Kanthi Yogendra、Rohde Gustavo K.、Moriya Kyoji、Yatomi Yutaka、Goda Keisuke
  • 雑誌名: Cytometry Part A 巻: 103 ページ: 162～167
  • DOI: 10.1002/cyto.a.24677
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Deciphering the efficacy of antiplatelet drugs under vascular stenosis by high-speed on-chip optofluidic imaging (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Deng, H. M. Tay, Y. Zhou, X. Fei, M. Nishikawa, T.-H. Xiao, Y. Yatomi, H. W. Hou, K. Goda
  • 学会等名: SPIE Photonics West 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Uncovering the long-term effects of mRNA COVID-19 vaccinations on platelets by high-speed optical imaging on a chip (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhou, M. Nishikawa, H. Kanno, R. Yang, Y. Ibayashi, T.-H. Xiao, W. Peterson, M. Herbig, N. Nitta, S. Miyata, Y. Kanthi, G. K. Rohde, K. Moriya, Y. Yatomi, K. Goda
  • 学会等名: SPIE Photonics West 2023
  • 国際学会
• [学会発表] 血小板凝集塊の無標識画像ヒックテータによる COVID-19 と血栓症のリアルタイム AI 分類 (2023)
  • 著者名/発表者名: 張 晨祺, Herbig Maik, 周 雨奇, 西川 真子, Shifat-E-Rabbi Mohammad, 菅野 寛志 , 楊 若曦 , 伊林 侑真 , 肖 廷輝 , Rohde Gustavo, 佐藤 将敬 , 小寺 聡, 大門 雅夫, 矢冨 裕, 合田 圭介
  • 学会等名: 第70回 応用物理学会 春季学術講演会
• [学会発表] Intelligent image-activated cell sorting based on complex intracellular morphology (2022)
  • 著者名/発表者名: Jeffrey Harmon, Justin Findinier, Natsumi Tiffany Ishii, Maik Herbig, Akihiro Isozaki, Arthur R. Grossman, and Keisuke Goda
  • 学会等名: 化学とマイクロ・ナノシステム学会第45回研究会
• [学会発表] “高速イメージングフローサイトメトリーによるユーグレナ細胞の形態と重金属の除去効率の関係性解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林 飛翔, Xu Muzhen, Jeffery Harmon, シャクマトフ 理人, 磯崎 瑛宏, 合田 圭介
  • 学会等名: 化学とマイクロ・ナノシステム学会第45回研究会
• [学会発表] Machine learning-based sort-timing prediction for image-activated cell sorting (2022)
  • 著者名/発表者名: Yaqi Zhao, Akihiro Isozaki, Maik Herbig, Mika Hayashi, Kotaro Hiramatsu, Sota Yamazaki, Naoko Kondo, Shinsuke Ohnuki, Yoshikazu Ohya, Nao Nitta, and Keisuke Goda
  • 学会等名: 化学とマイクロ・ナノシステム学会第45回研究会
• [学会発表] Detection and characterization of circulating tumor cell clusters by high-throughput optomechanical imaging flow cytometry (2022)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Matsumura, Larina Shen, Akihiro Isozaki, Hideharu Mikami, Dan Yuan, Maik Herbig, Yuto Kondo, Tomoko Mori, Yoshika Kusumoto, Masako Nishikawa, Yutaka Yatomi, Satoshi Matsusaka, Keisuke Goda
  • 学会等名: CYTO 2022
  • 国際学会
• [学会発表] A standardized metric for throughput for cytometry (2022)
  • 著者名/発表者名: Maik Herbig, Akihiro Isozaki, Dino Di Carlo, Jochen Guck, Nao Nitta, Robert Damoiseaux, Shogo Kamikawaji, Eigo Suyama, Hirofumi Shintaku, Angela Ruohao Wu, Itoshi Nikaido, and Keisuke Goda
  • 学会等名: CYTO 2022
  • 国際学会
• [学会発表] High-throughput image-activated cell sorting by mitochondrial relocation (2022)
  • 著者名/発表者名: Maik Herbig, Jeffrey Harmon, Justin Findinier, Natsumi Tiffany Ishii, Akihiro Isozaki, Arthur R. Grossman, and Keisuke Goda
  • 学会等名: CYTO 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Resolution-enhanced imaging flow cytometry by deep learning (2022)
  • 著者名/発表者名: Maik Herbig, Kangrui Huang, Hiroki Matsumura, Yaqi Zhao, Dan Yuan, Yohei Mineharu, Jeffrey Harmon, Justin Findinier, Mai Yamagishi, Shinsuke Ohnuki, Nao Nitta, Arthur R. Grossman, Yoshikazu Ohya, Hideharu Mikami, Akihiro Isozaki, and Keisuke Goda
  • 学会等名: CYTO 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Uncovering the pathogenesis and treatment of atherosclerosis by high-throughput microscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Deng, J. Duque, C. Su, Y. Zhou, M. Nishikawa, T. Xiao, Y. Yatomi, H. Hou, K. Goda
  • 学会等名: CYTO 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Uncovering the pathogenesis of microvascular thrombosis in COVID-19 via high-throughput microscopy on a chip (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhou, M. Nishikawa, H. Kanno, T.-H. Xiao, C. Zhang, M. Herbig, Y. Ibayashi, N. Nitta, S. Miyata, G. K. Rohde, Y. Yatomi, K. Goda
  • 学会等名: CYTO 2022
  • 国際学会
• [学会発表] COVID-19における血小板凝集塊の大規模イメージング解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 西川真子, 菅野寛志, Yuqi Zhou, Ting-Hui Xiao, 矢冨裕, 合田圭介
  • 学会等名: 第44回日本血栓止血学会学術集会
• [学会発表] オンチップ血管狭窄と高速イメージングを用いた血小板凝集の統計解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 周 雨奇, 鄧 云杰, ハイメ・アルバレス・ドゥケ, 蘇 成迅, 西川 真子, 肖 廷輝, 矢冨 裕, 侯 翰偉, 合田 圭介
  • 学会等名: 第44回日本血栓止血学会学術集会
• [学会発表] mRNA COVID-19ワクチン接種の血小板への長期的影響 (2022)
  • 著者名/発表者名: 周 雨奇, 西川 真子, 菅野 寛志, Ruoxi Yang, 肖 廷輝, 矢冨 裕, 合田 圭介
  • 学会等名: 第44回日本血栓止血学会学術集会
• [学会発表] イメージングフローサイトメトリーによる免疫細胞の受容体局在とサイトカイン産生の関連性探索 (2022)
  • 著者名/発表者名: 磯崎 瑛宏, Natsumi Tiffany Ishii, 北 一真, 岡 祐馬, 山岸 舞, Yaqi Zhao, 柳田 匡俊, 合田 圭介
  • 学会等名: 化学とマイクロ・ナノシステム学会第46回研究会
• [学会発表] 血中循環腫瘍細胞の分取に向けた粘弾性流体制御によるオンチップセルソーター (2022)
  • 著者名/発表者名: 長坂 柚葵, 松村 洋貴, 中川 悠太, 磯﨑 瑛宏, 合田 圭介
  • 学会等名: 化学とマイクロ・ナノシステム学会第46回研究会
• [学会発表] Feasibility study of the method for obtaining fluorogenic RNA aptamers using water-in-oil microdroplets (2022)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Ito, Ryo Iizuka, Sotaro Uemura
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Development of a single-particle inclusions detection method by solid-state nanopore for miRNA in single exosome detection (2022)
  • 著者名/発表者名: Takumi Uchida, Hirohito Yamazaki, Ryo Iizuka, Sotaro Uemura
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Investigation of the effect of spherical (three-dimensional) confinement on the higher order structure of 12-mer nucleosome arrays (2022)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Okabe, Ryo Iizuka, Munetaka Akatsu, Kenta Echigoya, Tomoya Kujirai, Hitoshi Kurumizaka, Sotaro Uemura
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] A study on the structural dynamics of the nucleosome containing H2A.B using solid-state nanopores (2022)
  • 著者名/発表者名: Hikaru Nozawa, Hirohito Yamazaki, Ryo Iizuka, Rina Hirano, Tomoya Kujirai, Hitoshi Kurumizaka, Sotaro Uemura
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] ナノポア計測によるCALHM2チャネルダイナミクスの解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中村宗太郎、山崎洋人、志甫谷渉、濡木理、上村想太郎
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] ショウジョウバエアルゴノート 2 の N 末端領域はアミロイド様凝集体を形成する（N-terminal region of Drosophila Argonaute2 can form amyloid-like aggregates） (2022)
  • 著者名/発表者名: 成田 晴香、島 知弘、飯塚 怜、塩見 美喜子、上村 想太郎
  • 学会等名: 第21回東京大学生命科学シンポジウム
• [図書] 生体分子環境の化学 (2023)
  • 著者名/発表者名: 日本化学会
  • 総ページ数: 208
  • 出版者: 化学同人
  • ISBN: 9784759814057
• [備考] Serendipity Lab
  • URL: http://www.serendipitylab.org/
• [備考] Goda Lab
  • URL: https://www.chem.s.u-tokyo.ac.jp/users/struct/index.html