研究室・教員

バイオエンジニアリング (加藤晃研究室)

加藤晃教授の顔写真
教授
加藤 晃
助教
山﨑 将太朗、若林 智美、加藤 壮英
Email
{ kou, s-yamasaki, w.tomomi, t-kato }@bs.naist.jp
研究室HP
https://bsw3.naist.jp/ko-kato/

研究・教育の概要

バイオテクノロジーによる社会貢献を念頭に、特に植物の遺伝子発現制御機構を理解し、バイオ医薬品などの有用タンパク質を植物で高生産するための基盤技術の開発を行っています(図1)。

研究室に配属された学生自身が研究を論理的に理解し、知識の裾野を広げ発展させていけるように指導を行っています。定期的な研究室ミーティングに加えて、産業界から研究者・実務者を招き、企業での研究開発に必要な知識を紹介します。これらの指導を通して、低成長・グローバル社会で幅広く活躍できる人材の育成を目指しています。

主な研究テーマ

導入遺伝子の高発現に関わるエレメントの単離と改良

細胞内での遺伝子発現は、転写・転写後・翻訳などの過程で制御されています。植物へ導入した有用遺伝子を効率的に発現させるためには、各過程を最適化する必要があります。そのため、転写に関わるコアプロモーターの解析、転写終結およびmRNAのプロセッシングに関わるターミネーターの解析、mRNAの多様性に関わるスプライシング機構の解析、mRNAの安定性や翻訳効率に関わる5’UTR配列や3'UTR配列の解析などを、次世代シーケンサーを用いて精力的に行っています。これら解析を通して、高発現に関わる配列エレメントを単離するとともにその改良を行っています。また、得られた成果については、複数の企業へ技術提供を行い、企業と共同でワクチンタンパク質や成長ホルモンなどを高生産する植物の作出を目指しています(図2)。

人工遺伝子の設計

遺伝子の発現制御過程における様々な効率は塩基配列によって決まっています。そのため、効率と塩基配列の関係性を解明できれば、既存の効率を凌駕する全く新しい配列を設計することが可能となります。そこで当研究室では、網羅的な効率の評価や塩基配列の同定、機械学習を用いたデータ解析、最適化アルゴリズムなどを用いることで、効率を最大化するような塩基配列を設計するシステムの開発を行っています(図3)。既に当研究室では、5'UTR配列を最適化することによってmRNAの翻訳効率を劇的に向上させることに成功しています。現在は、発現系の配列全体を最適化し、あらゆる制御過程の効率を最大化することを目指しています。

遺伝子発現による表現型制御機構の解明

遺伝子発現はその個体の表現型に直結します。この研究では、特に開花時期などの植物の繁殖成功にとって重要な形質に焦点を当てています。ゲノム配列情報や遺伝子発現データに基づいて、表現型を制御する遺伝子をゲノム網羅的に検出することを試みています(図4)。また、検出された遺伝子の発現量や質を解析して、遺伝子型や栽培条件ごとにどのように表現型に関連しているかを明らかにします。野生植物の繁殖成功度を制御する仕組みの理解や、将来的には農業への応用を目指しています。

図1
(図1) 植物バイオテクノロジー
図1
(図2) 遺伝子発現の流れ
遺伝子発現の各ステップを最適化するために、それぞれの制御過程を詳細に解析し、高発現に関わる配列エレメントの単離と改良を行っています。
図3
(図3) 導入遺伝子発現系の最適化
様々な過程の効率に、どのような配列的特徴が影響しているのかを解明することで、既存の発現系の生産効率の予測や効率向上のための配列最適化を可能とします。
図4
(図4) 塩基多型と表現型多型の関連解析
ゲノム配列情報から得られた系統間での塩基の違い(塩基多型)と、表現型の違い(表現型多型)を使って、注目する形質に関連するゲノム領域を推定します。

主な発表論文・著作

  1. Ueno D. et al., BMC Bioinform., 22, 380, 2021
  2. Matsui T. et al., Plant Biotechnol., 38, 239-246, 2021
  3. Ueno D. et al., Plant Cell Physiol., 62, 143-155, 2021
  4. Ueno D. et al., Plant Cell Physiol., 61, 53-63, 2020
  5. Shah N. et al., Nat. Commun., 11, 253, 2020
  6. Yamasaki S. et al., Plant Biotechnol., 35, 365-373, 2018
  7. Ueno D. et al., J. Biosci. Bioeng., 125, 723-728, 2018
  8. Yamasaki S. et al., J. Biosci. Bioeng., 125, 124-130, 2018
  9. Matusi T. et al., Plant Biotechnol., 32, 309-316, 2015
  10. Yamasaki S. et al., Plant Cell Physiol., 56, 2069-2180, 2015