2013年10月19日
左から田辺元特定研究员、东树助教
田辺晶史 元 地球環境学堂特定研究員（現 水産総合研究センター?中央水産研究所任期付研究員）、東樹宏和 人間?環境学研究科助教は、「DNAバーコーディング」という技術の理論的枠組みを構築するとともに、DNA情報をもとに自動的に生物種名を特定するコンピュータ?プログラムの開発に成功しました。この技術により、細菌、藻類、キノコ?カビ類、植物、動物といった、ありとあらゆる地球上の生物の種名を、迅速かつ簡便に特定することが可能になります。農地の微生物調査、感染症検査、食品検査、海洋資源管理といった広範な分野で、大幅な効率化に結びつくと期待されます。
本研究成果は、米科学誌「PLoS ONE」誌（米国太平洋時間2013年10月18日14時）に掲載されました。
概要
地球上のすべての生物が、その种に固有の顿狈础を持っています。そのため、特定の领域の顿狈础を「バーコード」として既知顿狈础の情报と照合し、种名の特定（同定）を行うことが可能です。これは顿狈础バーコーディングと呼ばれており、専门技能を持たない人でも高精度な同定が可能になる技术として期待されています。
ところが、これまでに人类が得た既知顿狈础は膨大であり、今なお増加し続けています。その一方で、未知の生物种もまだ大量に存在すると予想されています。そのため、膨大な既知情报を生かして高速に既知生物の种名を特定でき、かつ未知の生物は「既知のどの生物群に含まれる未知种か」を判定できるしくみが求められていました。
田辺元研究员と东树助教は、このような顿狈础バーコーディングを高速かつ自动で行うための、新しい理论的枠组みを构筑することに成功しました。この枠组みに基づいたコンピュータ?プログラムはインターネット上で公开されており、生物多様性研究や农林水产业、食品、医疗の各分野での応用が期待されます。
図：「顿狈础バーコーディング」解析の流れ
背景
ゲノム科学の急速な进歩により、生物の顿狈础を简単かつ大量に解読することができるようになってきました。顿狈础バーコーディングは、野生生物の调査、有用な微生物の探索、病原性微生物の同定、食品表示の正当性検査を含む幅広い分野で、その応用が急速に进んでいます。
一方で、研究対象の生物から得られた顿狈础をデータベース上の膨大な既知顿狈础と照合して同定を行う际、どの程度似ていればその种と判定するかが研究者によって异なることが问题となってきました。また、顿狈础解読装置（シーケンサー）の进歩により、一度に大量の顿狈础を解読することが可能になってきたため、自动で高速に顿狈础バーコーディングを行えるシステムの必要性が高まっていました。
また、地球上には人类がまだ认识していない生物种が无数に存在すると考えられています。生物は上位の大きい方から「界?门?纲?目?科?属?种」の七つの阶层で分类されており、未知の生物种もほとんどは既知の纲や目に属するものと考えられます。属する纲や目がわかればおおまかな性质が予想できる上、その纲や目の専门家に新种としての记载を依頼できます。そのため、未知种を単に未知种としてではなく、既知のどの纲や目に属する未知种であるかを判定できる顿狈础バーコーディング法が求められていました。
研究手法と成果
未知生物の顿狈础を、データベース上のすでに知られている生物种の顿狈础と照合すると、无数の似かよった顿狈础が见つかってきます。しかし、この段阶の顿狈础も、さまざまな生物种のものが含まれており、この膨大な情报の中から未知生物の同定を行う作业は、「职人技」に近い状态でした。さらに、それぞれの种内にも顿狈础の変异がわずかに存在しています。
今回の研究で、この同定作业における统一规準を作ることに成功しました。この统一された规準を用いると、种名を知りたい生物の顿狈础が、どの既知种の种内変异の中に収まるか探し出し、种名を特定します。そのため、谁がどんな生物を同定しようとしても、客観的で正确な结果が得られるようになります。
さらに、この规準に基づく顿狈础バーコーディング法を実际の生物调査や研究に応用するため、独自のコンピュータ?プログラムを作成しました。このプログラムの有効性を、答えのわかっている顿狈础を用いて検証したところ、细菌?古细菌、カビ?キノコ类、植物、动物といったありとあらゆる生物の同定において、正确な同定が可能になることが実証されました。
この新しいコンピュータ?プログラムは、「次世代シーケンサー」と呼ばれる最新の顿狈础解読装置にも対応しており、自动化された処理で効率のよい顿狈础バーコーディングを可能にします。
波及効果
顿狈础という、生物なら必ず持っている物质を利用する技术であるため、広范な分野での応用が可能です。「池の中にどんな生物がいるのか？」、「农地の土壌中にどのような微生物が生息しているのか？」、「感染症の原因となっている微生物は何か？」、「材料となっている农林水产物は何か？」といった问题に応える上で、顿狈础による生物同定が威力を発挥します。环境保护、农林水产业、医疗、食品などの分野で活用されることが期待されます。
今后の展开
自动顿狈础バーコーディングのプログラムをさらに使いやすくすることで、各种研究机関、公司、狈笔翱による利用を促进していく予定です。
今回の研究によって、顿狈础バーコーディングの理论的枠组みと自动化の手法が整备されました。一方で、顿狈础バーコーディングの精度を今后さらに上げていくためには、データベースへの顿狈础情报の蓄积を加速していく必要があります。そのために、今回の成果を応用して、効率的な顿狈础情报整备戦略を提案していきます。また、顿狈础情报を蓄积している研究机関や公司には、人类の共通财产である公共のデータベースへの顿狈础情报登録を促していきたいと考えています。
この研究は、内阁府の「最先端?次世代研究开発支援プログラム」の研究资金を基に実施されました。
书誌情报
[DOI]
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论文名
"Two new computational methods for universal DNA barcoding: A benchmark using barcode sequences of bacteria, archaea, animals, fungi, and land plants"
着者
Akifumi S. Tanabe and Hirokazu Toju
掲载誌
PLoS ONE 8(10): e76910, October 18, 2013.
関连リンク
田辺研究员のウェブサイト
- 朝日新聞（10月21日夕刊 10面）、京都新聞（10月23日 23面）および日刊工業新聞（10月21日 16面）に掲載されました。