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6月24日 顕微鏡を一切使わず、細胞の構造をDNAの配列データだけで画像化する(6月27日号Cell掲載論文)

2019年6月24日

チューリング以来、論理的情報は、機械の動きに変えられることが明らかになり、情報から現象を再構成する技術が急速に進んでいる。その結果、この分野に明るくない私は、AIに限らず、最近の多くの生命科学の論文を、隅々まで完全に理解することが極めて困難になった。しかし、そんなことにはお構いなく、情報科学を用いた思いも及ばなかった論文が相次いで発表される。

そんな論文の中でも今日紹介するハーバード大学からの論文には驚いた。細胞の構造を顕微鏡なしに観察する可能性を示した研究で、6月27日号のCellに掲載された。タイトルは刺激的な「DNA Microscopy: Optics-free Spatio-genetic Imaging by a Stand-Alone Chemical Reaction (DNA顕微鏡:光学機器の必要ない空間的遺伝的イメージングを化学反応だけで可能にする)」だ。

乱暴に言ってしまうとこの研究では、ある領域に分布する人間の数と、その中の個人同士の物理的距離がわかれば、その場所の地図が描けるという、最近利用され始めた情報処理技術を利用している。ただ、地図を描くことも、距離を測ることもこれまで全て視覚を通して行われてきた。ただ、最近だとスマフォ同士の距離は電波の強さでわかる。

この研究で場所にあたるのが組織で、人間にあたるのが任意に選んだ複数の遺伝子のmRNAだ。と言われてもよくわからないと思うので、実際に論文に使われている例で話を進める。

まずGFPとRFPを別々に導入した細胞を用意し、混合して培養する。こうして、GFP+細胞と、RFP+細胞が混合する一種の組織ができる。この組織でGFP、RFP、そしてアクチン、GAPDHの4種類のmRNA(個別の)の間の距離を調べ、それを情報処理して細胞の分布地図を作っている。

と聞いても。本当にできるのかにわかには信じられないが、例えば核内で染色体の各部の接触確率を調べるHiCを用いて核内の染色体地図を書く様なイメージで、ネットに繋がる携帯電話の分布地図を描くために開発された技術らしい。

では組織上で各mRNA間の距離を見るという過程なしにいかに測定するのか?この研究ではcDNAを結合させる反応の起こりやすさを距離の近さとして用いている。

まず末端を特異的配列でラベルしたプライマーを用いて、組織上でcDNAを合成し、次にそれぞれのcDNAを標識配列ごと増幅する。すると、増幅されたDNAはその場所からゆっくり拡散で広がり始め、距離に応じて他の場所から拡散してきたRNAと混じることになる。そこでOverlap-extension PCRを用いて、異なるcDNAが近くに来た時だけ一本のcDNAとして結合させると、距離に反比例してoverlap-extensionされたcDNAの数が増える。この時overlapしたcDNA同士の間に、個々のextension反応を示すユニークな標識がランダムに挿入される様にしておくと、個々のoverlap-extension反応の個別標識として解析できる。

こうして合成されたoverlap-extension DNAの配列を決定することで、最初にcDNA合成されたmRNA同士の距離が計算でき、この結果を処理すると地図がかけるというわけだ。原理はおわかりいただいただろうか?

残念ながら細胞内のmRNAの分布を示すだけの分解能はまだないが、もっとmRNAの種類を増やしていけば、原理的に解像度は上がる。しかし、全く顕微鏡なしに細胞を見る(?)ことができる日が来るとは想像しなかった。

しかし、自分が何かを見て認識しているという脳の過程を考えると、かなり近いことが行われている。とすると、脳と同じである程度トップダウンで形態の類型を加えてやれば、顕微鏡のいらない日が来るのかもしれない。


  1. okazaki yoshihisa より:

    デジタル哲学(デジタル物理学)思想が頭をよぎります。
    情報科学化する生命科学
    生の細胞を肉眼で視て考えるのではなく情報処理加工されたバーチャルな絵を視て考える
    (現代の天文学に似ているような。。。)

    つまるところ、生物学とは情報の科学である。
           『ダーウインを数学で証明する』グレゴリー・チャイティンより

    宇宙は何からできているだろうか?
    最近、宇宙は情報からできているのではないかと考える人々が増えている。
            『メタマス』グレゴリー・チャイティンより

    1. nishikawa より:

      情報は、今のところ生物とともに世界に現れたので、物理世界に情報はありません。

  2. 山形方人 より:

    10x Genomicsが、Visiumという組織レベルの同じようなアイデアの商品を出すようです。
    https://www.10xgenomics.com/extra/

    こういうのをバイオ系の研究者が自分だけで作製するのは難しそうですが、今は衰退しつつある日本の電子産業などの技術を利用できないのか、と思ったりします。
    この研究は、Regevラボのポスドクが一人でやっていた研究のようですが、こういう感じの工学的なセンスを持ったイノベーションが日本の医学分野、基礎生命科学分野でもっとでてきてほしいと感じます。

    1. nishikawa より:

      全く同感です。ただ、さらに発展させるためには、これにこだわらず、他のテクノロジーとmergeさせることがいいと思うのは、凡人の考えかもしれません。

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