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レポートナンバー 0000023062
株式会社シーエムシー出版
〜バイオテクノロジーの新技術からの新しい視点〜
Bio-innovation - Novel Developments by New Biotechnologies
発刊日 2019/03/25
言語日本語
体裁B5/258ページ
ライセンス/価格258ページ
0000023062
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【刊行にあたって】
生命や生物現象の分子解析においては、2010 年代に入り、ゲノム配列解読のスピードが急上昇し、次世代やナノポアシークエンサーの登場もあって、ゲノムの既読量は膨大化しつつある。ゲノム解析技術の進歩と相まって、モノリスなどの新材料を用いた高性能ナノ分離や高度な質量分析など、多くの機器分析も進化してきた。この背景には、半導体などの飛躍的な機能向上によるコンピュータの性能やクラウドシステムに代表される記憶容量の高度化もあるのは周知のことであろう。DNA やRNA、タンパク質や代謝物の解析については、定性分析と定量分析が研究の主流であることは不変である。 これらの研究に、さらに、「時」系列という要素、いわゆる、「時間」という要素も加味した解析が取り込まれてきている。生命を構成するこれらの分子を網羅的に解析する、いわゆるゲノミクス、トランスクリプトミクス、プロテオミクス、メタボロミクスは、個々に進んできたが、今や時代は、これらを統合した「トランスオミクス」、さらには、それらを融合した「フェノーム(セローム)」解析時代に突入した。さらに、ゲノム編集技術なども可能になり、ライブ・イメージング、エピジェネテイック解析、インターラクトーム解析やsnRNA 解析も加わり、集積データは膨大になり、まさに、「ビッグデータ」の解析時代である。すなわち、多種多様な生命分子を分離・同定し定性・定量分析していく技術の高度化(微量化や超高速化も含まれる)とそれらを基盤とするVR(バーチャルリアリティ)による再構成がクローズアップされてきている。このシリーズで取り上げてきた「人工細胞の創製」への潮流も自然の流れである。 「時間」や、さらに「空間」という要素の取り込みにより、「記憶」、「感覚」、「感情」、さらには、「思考」にいたる、いわゆる心理的、哲学的、宗教的、などと、これまで精神的な領域として分類されていた領域にまで、分子レベルでの研究領域が広がってきている。その先には、ヒト脳機能の分子レベルでの詳細研究へとつながる。すべての分子の動態をまさに、時々刻々と「ありのまま」に解析するというリアリティのある研究の時代を迎えている。生命のビッグデータの情報を、積極的に、かつ、論理的にもしっかりと整理し、それから導き出す新しい成果や概念を、産学官の医療・創薬・モノづくり・環境などの研究領域の新しい展開研究や実用的な製品にしていく新しい時代のバイオサイエンスのイノベーションの世界の基盤の確立が急務であり、重要であると考えている。 生物や生命の世界は、我々も一員でありながら、いまだによくわからないところの多い不思議な世界であった。しかし、ここ数年の間に、これまでとりあげてきたマルチオミクスやナノテクノロジーのめざましい発展と、既刊の「一細胞解析」、「ビッグデータ解析」や「AI 関連のバイオ展開」でも取り上げたICT の技術との融合により、新しいバイオテクノロジーが展開しつつある。このバイオイノベーションともとらえられている展開により、不思議な世界の秘められた謎から生命の真の姿と再現性の担保された実用化への道が着実に見え始めている。 本著では、これまでのバイオテクノロジーから一歩前に進み始めたバイオイノベーションを視点に持たれて研究展開をされておられる方々に執筆をお願いした。ご執筆いただいた先生方には、この場をお借りして深謝いたします。読者の方々には、是非、この機会に本著を利用して、新しい展開を見せ始めたバイオテクノロジーの世界を実感していただくとともに、その実現を模索して実践しつつある監修者が主宰する京都バイオ計測センター(http://www.astem.or.jp/kist‒bic/)とともに、新しいバイオテクノロジーのイノベーションの世界の入り口に立っていただければ幸いです。
京都大学 植田充美
植田充美
植田充美 京都大学 城口克之 (国研)理化学研究所 小川泰策 (国研)理化学研究所 笹川洋平 (国研)理化学研究所 二階堂愛 (国研)理化学研究所 久木田洋児 奈良先端科学技術大学院大学 佐藤慶治 (株)DNA チップ研究所 的場亮 (株)DNA チップ研究所 天井貴光 京都大学 黒田浩一 京都大学 西田敬二 神戸大学 三好航平 大阪大学 生田宗一郎 大阪大学 福崎英一郎 大阪大学 新間秀一 大阪大学 三浦史仁 九州大学 伊藤隆司 九州大学 北原奈緒 京都大学 芝崎誠司 兵庫医療大学 青木航 京都大学 和泉自泰 九州大学 馬場健史 九州大学 野村暢彦 筑波大学 泊直宏 (地独)京都市産業技術研究所 山本佳宏 (地独)京都市産業技術研究所 瀧浪欣彦 ブルカージャパン(株) 小林孝史 イルミナ(株) 掛谷知志 (株)スクラム 甲斐渉 フリューダイム(株) 細野直哉 バイオストリーム(株) 細川正人 早稲田大学 西川洋平 早稲田大学 齋藤真人 大阪大学 吉野知子 東京農工大学 根岸諒 東京農工大学 柳沼謙志 京都大学 瀧ノ上正浩 東京工業大学 髙木俊幸 東京大学 広津崇亮 (株)HIROTSUバイオサイエンス 吉田早祐美 (株)HIROTSUバイオサイエンス 文東美紀 熊本大学大学院 岩本和也 熊本大学大学院 洲﨑悦生 東京大学 山口真広 名古屋大学 森本菜央 名古屋大学 小坂田文隆 名古屋大学 三浦夏子 大阪府立大学 片岡道彦 大阪府立大学
第1章 分子バーコードの視点から 1 DNA分子バーコード法とその新機能 1.1 はじめに 1.2 核酸の配列決定・定量解析における課題 1.3 DNA分子バーコード法による高精度な塩基配列決定 1.4 DNA分子バーコード法による核酸のデジタル定量解析 1.5 DNA分子バーコード法の注意点と評価法 1.6 DNA分子バーコード法の新機能 1.7 DNA分子バーコード法の応用展開 1.8 おわりに 2 1細胞RNAシーケンス法を支えるバーコード配列技術とcDNA分子変換技術 2.1 はじめに 2.2 1細胞RNAシーケンスを実現するcDNA分子変換・増幅技術 2.3 1細胞RNAシーケンス法とDNAバーコード技術 2.3.1 1細胞RNAシーケンス法の高出力化と細胞バーコード 2.3.2 1細胞RNAシーケンス法の高精度化と分子バーコード 2.4 1細胞RNAシーケンス法の性能評価とDNAバーコード 2.5 おわりに 3 分子バーコード配列タグを使った血中循環腫瘍DNA検出法の開発 3.1 はじめに 3.2 分子バーコード技術 3.3 分子バーコード技術を使った血中循環腫瘍DNA(ctDNA)解析方法 3.4 バイオインフォマティクスを利用した変異検出精度の改善 3.5 分子バーコード配列内のエラー処理 3.6 早期がん診断に向けた動向 3.7 ctDNA解析の新しい方向性 4 分子バーコード解析技術によるがんパネル解析 4.1 要約 4.2 分子バーコード解析手法について 4.3 がんパネル解析への分子バーコード法の活用 4.3.1 高感度な希少変異検出に基づくリキッドバイオプシーへの利用 4.3.2 FFPEにおけるDNA損傷への対応と低い腫瘍細胞含有率の検体での変異検出 4.3.3 包括的がんパネル解析によるTMB測定 4.3.4 高感度アッセイによる希少変異検出の注意点 4.4 コンパニオン診断(CDx)におけるNGSがんパネル解析の有用性と課題 4.5 おわりに
第2章 ゲノム編集の視点から 1 ゲノム編集の礎からの展開 1.1 はじめに 1.2 従来のゲノム編集法 1.3 ZFNによるゲノム編集 1.4 TALENによるゲノム編集 1.5 CRISPR/Cas9システムによるゲノム編集 1.6 CRISPR/Casシステムの歴史 1.7 CRISPR/Cas9システムの特徴 1.8 CRISPR/Cas9システムの応用 1.9 終わりに 2 シングル塩基ゲノム編集の活用 2.1 “切る”ゲノム編集技術の課題 2.2 脱アミノ化による点変異導入 2.3 脱アミノ化酵素とCRISPRの融合 2.4 塩基編集技術Target-AIDとBase editor 2.5 塩基編集技術の改良 2.6 標的デザイン性の拡大 2.7 塩基編集技術の使用の実際 2.8 塩基編集技術によるイノベーションの可能性 3 オフターゲットのない新しいゲノム編集法の開発 3.1 はじめに 3.2 CRISPR/Cas9システムの問題点 3.3 2種類のgRNAを利用したオフターゲット変異の低減 3.4 Cas9 Nickaseを用いた相同組換えによるゲノム編集 3.5 おわりに
第3章 分析の視点から 1 質量イメージングの展開 1.1 イメージング質量分析とは 1.2 IMSで用いられるイオン化法 1.3 IMSの分析の流れ 1.4 アスパラガスのイメージング 1.5 ショウジョウバエのイメージング 1.6 おわりに 2 1細胞エピゲノム解析 2.1 サマリー 2.2 エピゲノムも1細胞解析が可能に 2.3 細胞メチローム解析 2.4 1細胞からのフットプリント解析 2.5 DNA-タンパク質相互作用の1細胞解析 2.6 クロマチンの核内配置の1細胞解析 2.7 おわりに 3 ミックスドプロテオミクスの展開拡大 3.1 はじめに 3.2 ミックスドプロテオーム解析によるC.albicansのマクロファージ破壊脱出機構の推定 3.3 新しい免疫療法の手がかり 4 リピドミクスの展開 4.1 はじめに 4.2 脂質の定義 4.3 リピドミクス分析法 4.4 リピドミクスデータの施設間比較 4.5 超臨界流体クロマトグラフィー質量分析によるワイドターゲット定量リピドーム分析法の開発 4.6 おわりに 5 細胞間相互作用の解析とその展望 5.1 はじめに 5.2 微生物のバイオフィルムおよび相互作用とその分析手法 6 バイオセンサーの実用化 6.1 はじめに 6.2 ISFETを利用したバイオセンサー 6.2.1 測定原理 6.3 食品分析への応用 6.4 微生物測定への応用 6.5 ISFET-イムノアッセイを利用することによる微生物検出 6.6 自動分析システムへの挑戦(フローセンサーの開発) 6.7 バイオセンサーの未来 7 トップダウン質量分析の活用 7.1 はじめに 7.2 質量分析を用いるトップダウン・アプローチによるタンパク質の解析手法 7.3 トップダウン質量分析と質量分解能 7.4 トップダウン・アプローチのデータ解析 7.5 まとめ 8 デスクトップ型次世代シーケンサー「MiSeq」 8.1 次世代シーケンサーの誕生とその背景 8.2 Illumina社の次世代シーケンサー 8.3 デスクトップシーケンサー「MiSeq」の特徴 8.4 「MiSeq」が可能にしたアプリケーション 8.5 「MiSeqDx」,「MiSeqFGx」への展開 8.6 新製品「NovaSeq6000」,「iSeq100」につながる流れ 8.7 総括 9 ChromiumTMコントローラーによるシングルセルマルチオミクス解析 9.1 はじめに 9.2 ChromiumTMコントローラーの特徴と基本原理 9.3 シングルセル遺伝子発現プロファイリング 9.4 シングルセル免疫プロファイリング 9.5 シングルセルエピジェネティクス(ATAC-seq) 9.6 シングルセルゲノミクス(コピー数多型解析) 9.7 まとめ 10 C1TM Systemを使用したシングルセル・マルチオミックス解析 10.1 はじめに 10.2 C1 SystemとC1 Open Appプログラム 10.3 シングルセル・マルチオミックス解析 10.3.1 シングルセルmRNAシーケンス解析 10.3.2 ハイスループットシングルセルmRNAシーケンス解析 10.3.3 シングルセルTotal RNAシーケンス解析 10.3.4 シングルセルDNAシーケンス解析 10.3.5 エピゲノム解析 10.3.6 バイモーダル・マルチモーダル解析 10.4 おわりに 11 BD Rhapsodyシステムを用いたハイスループットシングルセルRNAseq解析 11.1 はじめに:シングルセル解析の現状と課題 11.2 BD Rhapsodyシステムの原理と特徴 11.3 BD Rhapsodyシステムのワークフロー 11.4 WTA-scRNAseq解析とTargeted scRNAseq解析による効率的なシングルセル解析 11.5 WTA-scRNAseq解析とTargeted scRNAseq解析の実例 11.6 mRNAと細胞表面タンパク質の同時検出を行うBD AbSeq解析 11.7 BD Rhapsodyシステムの解析ツール 11.8 おわりに
第4章 マイクロデバイスの視点から 1 マイクロ流体デバイスによる微量生体分子計測の展開 1.1 はじめに 1.2 微量生体分子の操作環境をつくる 1.3 ドロップレット技術のシングルセル解析への応用 1.4 おわりに 2 遠心駆動マイクロ流体チップによるバイオアッセイ 2.1 はじめに 2.2 POCT指向した遠心促進熱対流型PCRデバイスの開発 2.3 遠心浮力駆動型ドロップレットPCRチップの開発 2.4 1細胞動態画像解析デバイスの開発 2.5 1細胞膜タンパク蛍光計測デバイスの開発 2.6 さいごに 3 マイクロデバイスを活用した単一がん細胞解析の現状 3.1 はじめに 3.2 マイクロデバイスを用いた単一細胞分離システム 3.2.1 Droplet microfluidicsを用いた単一細胞分離システム 3.2.2 マイクロウェルを用いた単一細胞分離システム 3.2.3 統合型デバイスを用いた単一細胞分離システム 3.2.4 その他の単一細胞分離システム 3.2.5 単一細胞分離システムの現状と課題 3.3 Microcavity arrayを用いた単一CTC解析システムの開発 3.3.1 Microcavity arrayを用いたCTC濃縮技術 3.3.2 Gel-based cell manipulation法による単一細胞分離技術 3.4 おわりに 4 細胞膜レセプターに対するハイスループットファンクショナルリガンドアッセイの構築 4.1 はじめに 4.2 G-protein coupled receptor(GPCR) 4.3 シグナル伝達受容体をターゲットとした創薬 4.4 ドロップレットマイクロ流体デバイスを用いたハイスループットGPCRリガンドアッセイ系のデザイン 4.5 LacZ分泌レポーター細胞を用いたFunctional assay system 4.6 ドロップレットマイクロ流体デバイスを用いたGLP1RのFunctional assay 4.7 ランダム化Ex4ライブラリから機能性リガンドの同定 4.8 まとめと展望 5 合成生物学のためのプラットフォームとしてのMicrofluidics研究 5.1 はじめに 5.2 マイクロ流路によるコンピュータ制御型の非平衡開放系のマイクロリアクタ 5.3 非平衡開放系のマイクロリアクタのバクテリアケモスタットへの応用 5.4 おわりに
第5章 研究対象の視点から 1 大型海藻類からのバイオエネルギー創成 1.1 はじめに 1.2 酵母によるラミナランからのエタノール生産 1.3 スフィンゴモナス属細菌を用いたアルギン酸からのエタノール生産 1.4 大規模改変した大腸菌を用いた褐藻類からのエタノール生産 1.5 酵母をプラットフォームとしたアルギン酸・マンニトールからのエタノール生産 1.6 おわりに 2 機能的セロミクスによる線虫脳機能の網羅的アノテーション 2.1 本節の概要 2.2 背景 2.3 新規研究手法―機能的セロミクス― 2.4 線虫C. elegansへの機能的セロミクスの実装 2.5 神経ネットワーク動作原理の解明に向けて 3 線虫―嗅覚によるがんの検知 3.1 はじめに 3.2 モデル生物としての線虫 3.3 線虫の嗅覚 3.4 生物が持つ嗅覚の産業利用 3.5 線虫の嗅覚によるがんの検出 3.6 線虫の嗅覚を利用したがん検査法N-NOSE 3.7 N-NOSEの実用化に向けた研究 3.8 N-NOSEのメカニズム解明と今後の展開 3.9 まとめ 4 ヒト死後脳のさまざまな細胞種におけるゲノム・エピゲノム研究 4.1 はじめに 4.2 ヒト死後脳からの細胞種ごとの細胞核分画 4.3 細胞種を考慮したDNAメチル化解析・遺伝子発現解析 4.4 さまざまな細胞種由来の単一細胞核を使用した体細胞変異解析 4.5 おわりに 5 臓器・全身の細胞回路解析手法の発展 5.1 はじめに 5.2 組織透明化技術 5.3 3次元イメージング 5.4 細胞ラベリング法 5.5 3次元組織データ解析 5.6 展望 6 狂犬病ウイルスベクターを用いた神経回路解析法 6.1 はじめに―脳神経回路が担う生理学的機能を解き明かす 6.2 ウイルスベクターを用いた神経回路トレーシング 6.3 狂犬病ウイルスについて 6.4 G欠損狂犬病ウイルスベクターによる単シナプス性神経回路トレーシング 6.5 狂犬病ウイルストレーシングに必要なヘルパータンパク質の発現方法 6.6 RVΔGトレーシング法による神経回路構造の解明 6.7 神経回路の構造と機能を対応付ける 6.8 組換え狂犬病ウイルスベクターの低毒化 6.9 終わりに 7 ムーンライティング酵素の展開 7.1 はじめに 7.2 ムーンライティングタンパク質の発見 7.3 ムーンライティングタンパク質の生物学的な意義 7.4 ムーンライティング酵素の機能 7.4.1 環境変化に応答するムーンライティング酵素 7.4.2 新形質のムーンライティング酵素 7.4.3 疾患に関与するムーンライティング酵素 7.5 ムーンライティングタンパク質のデータベース整備に向けた試み 7.6 ムーンライティング酵素の分子基盤 7.6.1 構造からの視点 7.6.2 局在変化からの視点 7.7 ムーンライティングタンパク質の創出 7.8 ムーンライティング酵素の展開 7.8.1 細胞機能の解明と利用に向けて 7.8.2 新規な酵素の創発に向けて 7.8.3 疾患治療に向けて 7.9 おわりに
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