タンパク質配列空間の極端圧縮と再構築：EvoAIによる革新的な研究 背景紹介 タンパク質の設計と最適化は、バイオテクノロジー、医学、合成生物学分野における主要な課題の一つです。タンパク質の機能は、その配列および構造によって決定されますが、この機能性配列空間（sequence space）は非常に複雑で高次元であり、大量の可能性を含んでいます。この領域の探求における重要な課題は、このほぼ無限といえる配列空間をどのように効果的に解析し、圧縮し、機能に密接に関連する特徴を識別するかという点にあります。従来のアプローチには、直接進化（directed evolution）、深度変異スキャン（deep mutational scanning, DMS）、部位飽和変異（site-saturation m...

自然行動における多モーダル神経記録及び操作のためのオープンプラットフォーム「ONIX」 研究背景と意義 近年、神経科学分野において、大規模神経集団の記録技術と動物行動の研究において大きな進展が見られました。しかし、これら2つの要求の間には常に矛盾が存在しています。高品質な神経データを得るため、頭部を固定した実験法が多く採用されてきましたが、これは動物の自然な行動を制限しています。しかし、多くの研究により、自然行動における神経活動は固定実験での行動とは顕著に異なることが示されています。例えば、運動行動が主に感覚処理に用いられると考えられていた脳の領域の活動に影響を与えること、さらに固定状態と自由行動状態では学習戦略にも明確な違いがあることが分かっています。これらの発見は、社会的相互作用、学習、...

微小流体チップを用いた自動化胚胎性決定技術 学術的背景 卵用鶏の養鶏業において、ふ化直後に雄性ヒナを殺処分するというのは一般的な慣行です。雄性ヒナは卵を産むことができず、また高品質な肉を提供できないためです。毎年、EUでは約3億7200万羽の雄性ヒナがふ化後に殺処分されています。この慣行は動物福祉や倫理的な問題を引き起こし、ドイツ、フランス、イタリアなどの複数のヨーロッパ諸国ではこの行為を禁止する法律が制定されました。この問題を解決するために、胚胎性決定（in ovo sexing）が最も有望な代替案とされています。しかし、現在の胚胎性決定技術は高精度（>98%）、低コスト、胚への干渉の軽減、すべての卵殻の色への適用性、そして毎時2万個を超える卵の処理という要求をすべて満たすことはできていま...

持続的なレボドパモニタリングのための工学的直接電子移動酵素の開発 背景紹介 パーキンソン病（Parkinson’s Disease, PD）は、黒質のドーパミン作動性ニューロンの喪失と、神経細胞内でα-シヌクレインが凝集したレビー小体が広く分布することを特徴とする、世界中で数百万人に影響を与える慢性的な神経変性疾患です。レボドパ（levodopa）はPD治療における主要な薬剤であり、運動症状を緩和する効果がありますが、その治療ウィンドウが非常に狭いため、不適切な投与は吐き気や運動障害、または症状再発といった深刻な副作用につながる可能性があります。この問題は、リアルタイムでのレボドパモニタリングの必要性を一層高める要因となっています。しかし、現在の技術では、レボドパを高感度かつ高特異的に検出す...

電気インピーダンス分光法を用いたブドウ膜黒色腫の早期検出 学術的背景 ブドウ膜黒色腫（Uveal Melanoma, UM）は、成人において最も一般的な原発性眼内悪性腫瘍であり、高い侵襲性を持ち、視力喪失や生命の危険をもたらす可能性があります。早期発見と適切な治療は、視力の保護と死亡率の低下に極めて重要です。しかし、多くのUM患者は腫瘍が大きくなるまで明らかな症状を示さないため、早期診断が非常に困難です。現在の診断方法（眼底検査や超音波画像など）は有効ですが、専門的な設備と技術を必要とし、大規模なスクリーニングには適していません。そのため、簡便で非侵襲的な早期検出方法の開発が重要です。 電気インピーダンス分光法（Electrical Impedance Spectroscopy, EIS）は...

Rubisco 酵素の機能マップ研究 背景紹介 Rubisco（リブロース-1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ）は地球上で最も豊富な酵素であり、光合成における二酸化炭素固定プロセスを担っています。しかし、Rubisco の触媒効率は低く、酸素との副反応が起こりやすいため、光合成効率が制限されています。科学者たちは長年にわたり、工学的な手段で Rubisco の触媒性能を改善しようと試みてきましたが、その複雑な生化学的パラメータ（触媒速度、二酸化炭素親和性、特異性など）を効率的に測定することが難しく、研究の進展は遅れていました。近年、ハイスループットスクリーニング技術と機械学習手法の発展に伴い、科学者たちは Rubisco の配列-機能関係を体系的に探求し、その性能を改善する潜...

多スケールフットプリントが細胞分化と老化におけるシス調節要素の役割を明らかにする 背景紹介 遺伝子発現の調節は、細胞の運命と疾患発生の鍵となるメカニズムの一つであり、シス調節要素（cis-regulatory elements, CREs）がこの過程で重要な役割を果たしています。CREsは、転写因子やヌクレオソームなどの多様なエフェクタータンパク質と結合することで、遺伝子発現を動的に調節します。しかし、既存の研究方法では、特に単細胞レベルでこれらのエフェクタータンパク質のゲノム全体での結合動態を測定する際に限界があり、CREsの構造がその機能とどのように関連しているかを完全に理解することが困難でした。特に、細胞分化と老化の過程におけるCREsの役割については不明な点が多く残されています。 こ...

患者由来オルガノイドを用いたパーソナライズドアンチセンスオリゴヌクレオチド（ASO）スクリーニングプラットフォームの確立 学術的背景 近年、ゲノムシーケンシング技術の急速な進展に伴い、特定の遺伝子変異に関連する多くの希少遺伝性疾患が発見されています。アンチセンスオリゴヌクレオチド（Antisense Oligonucleotides, ASOs）は、特定のRNA配列を標的とする治療手段として、さまざまな遺伝性疾患の治療においてその可能性を示しています。ASOsは標的mRNAに結合し、RNAの加工プロセスを調節したり、タンパク質の発現レベルに影響を与えることで、遺伝子変異によって引き起こされる病理学的表現型を修正します。しかし、ASOsが研究室や臨床で顕著な成果を上げているにもかかわらず、その...

複雑な皮膚欠損修復における最適化に基づく共形経路計画を用いたin situバイオプリンティング 学術的背景 皮膚は人体最大の器官であり、外界からの侵害から身体を保護する重要な機能を担っています。しかし、世界的にやけどや慢性潰瘍などの皮膚損傷の発生率が高いため、効果的な治療法の需要が増加しています。従来の組織工学や3Dバイオプリンティング技術は一定の可能性を示していますが、多様な皮膚損傷を処理する際には依然として多くの課題があり、特にプリントされたスキャフォールドの移植プロセスにおいて汚染や組織損傷のリスクが存在します。in situバイオプリンティング（in situ bioprinting）は、損傷部位に直接バイオインクを堆積させる新興技術であり、従来の「プリント-移植」という2段階の戦略...

3Dバイオプリンティング足場による骨再生促進の研究 学術的背景 近年、産業や交通の発展、戦争や紛争の頻発により、頭部や顔面の損傷の発生率が著しく増加しています。これらの損傷やその関連治療（減圧開頭術など）は、頭蓋骨欠損を引き起こし、脳機能の回復に影響を与え、心理的障害を引き起こす可能性があり、社会経済的負担をもたらします。そのため、頭蓋形成術の成功は非常に重要です。従来の自家骨移植は頭蓋形成術の理想的な方法とされていますが、臨床現場では、自家骨髄間葉系幹細胞（auto-BMSCs）の採取には、骨髄の老化や造血系疾患などの制約があります。そのため、他家骨髄間葉系幹細胞（allo-BMSCs）が潜在的な代替案として注目されています。しかし、allo-BMSCsの骨再生における役割はまだ明確ではあ...