2021 Fiscal Year Annual Research Report
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
| Project Area | Post-Koch Ecology: The next-era microbial ecology that elucidates the super-terrestrial organism system |
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| Project/Area Number |
19H05688
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
松井 求 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (10803728)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岩崎 渉 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (50545019)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 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 / ポストコッホ生態系 / 微生物生態学 / 窒素循環 / 微生物形態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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の統合解析を行なった。特にショットガンメタゲノムデータと環境コンテキスト情報を組み合わせた解析では、環境の変化に応じた微生物動態や土壌中の代謝の変化，バクテリオファージとホスト微生物の攻防，根圏を出入りする微生物種の存在などを明らかにすることができた。さらに発展的な解析をするために、新たな情報解析技術の開発も進めており、Bergey’s manualに代表される様々な文献から得られる微生物の形態情報を活用したTrait-based approach、逆相関ネットワークに着目した網羅的なニッチ解析手法などが実装されつつある。また、領域の各先生方との共同研究も進んでいる。特に、重藤真介教授との共同研究では「ラマン分光解析に基づく非破壊細胞識別技術」を開発することができ、機械学習手法と一細胞ラマン分光解析技術を組み合わルコとで、非破壊かつ単一細胞レベルで原核生物種をほぼ100%の精度で分類できるようになった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の目的通り、前年度に構築したデータ集積プラットホームを活用した多様な研究を進めることができた。例えば、微生物の形態情報を効率的に解析するために開発した「Bac2Feature（バックトゥザフィーチャー）」は、微生物の16S rRNA配列と形質情報を結びつけたデータベースで、細胞の形状、運動性、至適pH、増殖速度、代謝経路、栄養要求性、など非常に多様かつ有用な情報を含む。本データベースは既に、種の分布を形態情報の分布へ変換し、その分布に基づいて群集機能を推定するために領域内で活用されており、まさにデータ集積プラットホームの活用事例となっている。また、ショットガンメタゲノム解析では窒素循環にまつわる微生物生態の重要な役割や動態が明らかになり、これは「持続可能な地球を創生するための技術開発」という壮大な目標へ一歩踏み出すような成果であると考えている。さらに重藤真介教授との共同研究では、微生物のラマン分光解析のマイルストーンとなるような論文を年度内に出版することができ、領域にとっても重要な成果を一つ結実することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、これまでに構築したデータベースや手法を活用しながら、種や遺伝子の共起関係、代謝パスウェイ、微生物と環境の相互作用からなる「ポストコッホ機能生態系モデル」の構築に取り組みたい。具体的には、Bac2FeatureやGraph Splitting法のように、これまでに開発した我々独自のツールの他、ショットガンメタゲノム解析、系統プロファイリング法などさまざまな方法を駆使して、圃場における微生物生態系の理解を深める予定である。また、領域内のさまざまな先生方との共同研究もさらに積極的に進めたい。そして、領域全体の力を結集することで「ポストコッホ機能生態系モデル」の精緻化にも取り組んでいきたいと考えている。例えば、モデルが予測した種間相互作用や細胞内代謝遺伝子クラスターの情報を各専門チームに還元して検証する、あるいは難培養性細菌種と共起する微生物種を予測することで可培養化の効率向上を試みるといったことを行う予定である。
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