氏名

キガ ダイスケ

木賀 大介

職名

教授

所属

(先進理工学部)

連絡先

メールアドレス

メールアドレス
kiga@waseda.jp

URL等

WebページURL

http://www.f.waseda.jp/kiga/

研究者番号
30376587

本属以外の学内所属

兼担

理工学術院(大学院先進理工学研究科)

学内研究所等

理工学術院総合研究所(理工学研究所)

兼任研究員 2018年-

先進グリッド技術研究所

研究所員 2017年-2019年

先進グリッド技術研究所

研究所員 2019年-

学歴・学位

学位

博士(理学) 東京大学

受賞

ナイスステップな研究者(人材育成部門)

2012年12月授与機関:文部科学省 科学技術・学術政策研究所

タイトル:iGEM(国際遺伝子工学マシン競技会)を通して次代を担う研究者の育成を牽引

受賞者(グループ):木賀大介

工学教育賞

2014年03月授与機関:日本工学教育協会

タイトル:国際学生コンテストを通じた多分野共同型の次世代生物工学教育

受賞者(グループ):山村雅幸、木賀大介、瀧ノ上正浩、小宮健

竹田国際貢献賞

2015年08月授与機関:武田理化工業(株)

タイトル:合成生物学と社会の関わりの調整についての国際貢献

受賞者(グループ):木賀大介

学術振興会賞

2016年02月授与機関:学術振興会

タイトル:合成生物学による人工生命システムの構築

受賞者(グループ):木賀大介

研究分野

科研費分類

情報学 / 情報学フロンティア / 生命・健康・医療情報学

情報学 / 情報学フロンティア / 生命・健康・医療情報学

情報学 / 情報学フロンティア / 生命・健康・医療情報学

情報学 / 情報学フロンティア / 生命・健康・医療情報学

生物学

論文

RNAワールドの成立・維持と発展的解消 (特集 アストロバイオロジーとの遭遇 : 生命のルーツを探る旅)

木賀 大介

細胞工学35(2)p.111 - 1152016年-2016年

CiNii

詳細

ISSN:0287-3796

A Bacterial Continuous Culture System Based on a Microfluidic Droplet Open Reactor.

Ito Manami;Sugiura Haruka;Ayukawa Shotaro;Kiga Daisuke;Takinoue Masahiro

Analytical sciences : the international journal of the Japan Society for Analytical Chemistry32(1)2016年-2016年

PubMedDOI

詳細

ISSN:1348-2246

概要::Recently, micrometer-sized bacterial culture systems have attracted attention as useful tools for synthetic biology studies. Here, we present the development of a bacterial continuous culture system based on a microdroplet open reactor consisting of two types of water-in-oil microdroplets with diameters of several hundred micrometers. A continuous culture was realized the through supply of nutrient substrates and the removal of waste and excess bacterial cells based on repeated fusion and fission of droplets. The growth dynamics was controlled by the interval of fusion. We constructed a microfluidic system and quantitatively assessed the dynamics of the bacterial growth using a mathematical model. This system will facilitate the study of synthetic biology and metabolic engineering in the future.

生命の文字に着目した進化分子工学 (特集 生命の起源と進化)

網蔵 和晃;木賀 大介

理大科学フォーラム32(11)p.14 - 172015年11月-2015年11月 

CiNii

詳細

ISSN:1346-1206

特集によせて(<特集>「細胞を創る」研究とその展開)

木賀 大介

生物工学会誌93(10)2015年10月-2015年10月 

CiNii

詳細

ISSN:09193758

無細胞タンパク質合成システム(<特集>「細胞を創る」研究とその展開)

清水 義宏;木賀 大介

生物工学会誌93(10)p.603 - 6062015年10月-2015年10月 

CiNii

詳細

ISSN:09193758

In vitro selection of a photoresponsive peptide aptamer to glutathione-immobilized microbeads.

Tada Seiichi;Zang Qingmin;Wang Wei;Kawamoto Masuki;Liu Mingzhe;Iwashita Michiru;Uzawa Takanori;Kiga Daisuke;Yamamura Masayuki;Ito Yoshihiro

Journal of bioscience and bioengineering119(2)p.137 - 1392015年-2015年

PubMedDOICiNii

詳細

ISSN:1347-4421

概要::Photoresponsive peptide aptamer to glutathione-immobilized microbeads was in vitro selected using ribosome display incorporated with tRNA carrying an amino acid coupled with an azobenzene.

Two site genetic incorporation of varying length polyethylene glycol into the backbone of one peptide.

Zang Qingmin;Tada Seiichi;Uzawa Takanori;Kiga Daisuke;Yamamura Masayuki;Ito Yoshihiro

Chemical communications (Cambridge, England)51(76)2015年-2015年

PubMedDOI

詳細

ISSN:1364-548X

概要::Polyethylene glycol (PEG) of different lengths was genetically incorporated into the backbone of a polypeptide using stop-anticodon and frameshift anticodon-containing tRNAs, which were acylated with PEG-containing amino acids.

「人工遺伝子回路」の構築とその制御 (特集 生化学に新たな視点を与える技術の開発とその応用)

関根 亮二;木賀 大介

生化学86(2)p.201 - 2082014年04月-2014年04月 

CiNii

詳細

ISSN:0037-1017

生物をつくることで生命を理解する (特集 生命とは何だろう?) -- (人工生命を作ることは可能か?)

木賀 大介

Kotoba : 多様性を考える言論誌(16)p.78 - 812014年-2014年

CiNii

ロバストな試験管内・細胞内分子ネットワークの構築 (特集 生命システムのロバストネスとは何か?) -- (細胞レベルのロバストネス)

関根 亮二;木賀 大介

細胞工学33(1)p.26 - 302014年-2014年

CiNii

詳細

ISSN:0287-3796

General applicability of synthetic gene-overexpression for cell-type ratio control via reprogramming.

Ishimatsu Kana;Hata Takashi;Mochizuki Atsushi;Sekine Ryoji;Yamamura Masayuki;Kiga Daisuke

ACS synthetic biology3(9)2014年-2014年

PubMedDOI

詳細

ISSN:2161-5063

概要::Control of the cell-type ratio in multistable systems requires wide-range control of the initial states of cells. Here, using a synthetic circuit in E. coli, we describe the use of a simple gene-overexpression system combined with a bistable toggle switch, for the purposes of enabling the wide-range control of cellular states and thus generating arbitrary cell-type ratios. Theoretically, overexpression induction temporarily alters the bistable system to a monostable system, in which the location of the single steady state of cells can be manipulated over a wide range by regulating the overexpression levels. This induced cellular state becomes the initial state of the basal bistable system upon overexpression cessation, which restores the original bistable system. We experimentally demonstrated that the overexpression induced a monomodal cell distribution, and subsequent overexpression withdrawal generated a bimodal distribution. Furthermore, as designed theoretically, regulating the overexpression levels by adjusting the concentrations of small molecules generated arbitrary cell-type ratios.

Multiple amino acid-excluded genetic codes for protein engineering using multiple sets of tRNA variants.

Amikura Kazuaki;Sakai Yoko;Asami Shun;Kiga Daisuke

ACS synthetic biology3(3)2014年-2014年

PubMedDOI

詳細

ISSN:2161-5063

概要::A "simplified genetic code", with only 19 amino acids assigned to the sense codons, was recently developed. In this study, we describe novel simplified codes in which multiple amino acids are simultaneously excluded from the universal code. In the simplest code, tryptophan, cysteine, tyrosine, and asparagine codons are assigned to serine by using four kinds of tRNA (Ser) variants. The results revealed that various sets of amino acids can easily be excluded from the universal code, using our strategy for genetic code simplification. A simplified genetic code is useful as an engineering tool for the improvement of industrial enzymes and pharmaceuticals, and also provides new insights into the assessment of protein evolution. Simplified codes in which multiple amino acids are simultaneously excluded from the code can be more effective tools than codes excluding only one amino acid.

An observation method for autonomous signaling-mediated synthetic diversification in Escherichia coli.

Sekine Ryoji;Ayukawa Shotaro;Kiga Daisuke

Methods in molecular biology (Clifton, N.J.)11512014年-2014年

PubMedDOI

詳細

ISSN:1940-6029

概要::Phenotypic diversification of cells in development and regeneration is conceptually modeled by the motion of marbles rolling down valleys on the Waddington landscape, the main feature of which is bifurcations of the valleys. We have experimentally shown that this feature is sufficient to achieve phenotypic diversification by the construction of a synthetic phenotypic diversification system in Escherichia coli. Cells containing the synthetic phenotypic diversification system were diversified into two distinct cell states, high and low, through autonomous signaling-mediated bifurcation, when all cells were initialized to the low state. In this chapter, we illustrate the detailed experimental procedures involved in the initialization of cells and the observation of the phenotypic diversification.

[Construction and control of synthetic genetic circuits].

Sekine Ryoji;Kiga Daisuke

Seikagaku. The Journal of Japanese Biochemical Society86(2)2014年-2014年

PubMed

詳細

ISSN:0037-1017

Experimental evolution of a green fluorescent protein composed of 19 unique amino acids without tryptophan.

Kawahara-Kobayashi Akio;Hitotsuyanagi Mitsuhiro;Amikura Kazuaki;Kiga Daisuke

Origins of life and evolution of the biosphere : the journal of the International Society for the Study of the Origin of Life44(2)2014年-2014年

PubMedDOI

詳細

ISSN:1573-0875

概要::At some stage of evolution, genes of organisms may have encoded proteins that were synthesized using fewer than 20 unique amino acids. Similar to evolution of the natural 19-amino-acid proteins GroEL/ES, proteins composed of 19 unique amino acids would have been able to evolve by accumulating beneficial mutations within the 19-amino-acid repertoire encoded in an ancestral genetic code. Because Trp is thought to be the last amino acid included in the canonical 20-amino-acid repertoire, this late stage of protein evolution could be mimicked by experimental evolution of 19-amino-acid proteins without tryptophan (Trp). To further understand the evolution of proteins, we tried to mimic the evolution of a 19-amino-acid protein involving the accumulation of beneficial mutations using directed evolution by random mutagenesis on the whole targeted gene sequence. We created active 19-amino-acid green fluorescent proteins (GFPs) without Trp from a poorly fluorescent 19-amino-acid mutant, S1-W57F, by using directed evolution with two rounds of mutagenesis and selection. The N105I and S205T mutations showed beneficial effects on the S1-W57F mutant. When these two mutations were combined on S1-W57F, we observed an additive effect on the fluorescence intensity. In contrast, these mutations showed no clear improvement individually or in combination on GFPS1, which is the parental GFP mutant composed of 20 amino acids. Our results provide an additional example for the experimental evolution of 19-amino-acid proteins without Trp, and would help understand the mechanisms underlying the evolution of 19-amino-acid proteins. (236 words).

Effects of downstream genes on synthetic genetic circuits.

Moriya Takefumi;Yamamura Masayuki;Kiga Daisuke

BMC systems biology8 Suppl 42014年-2014年

PubMedDOI

詳細

ISSN:1752-0509

概要:BACKGROUND:In order to understand and regulate complex genetic networks in living cells, it is important to build simple and well-defined genetic circuits. We designed such circuits using a synthetic biology approach that included mathematical modeling and simulation, with a focus on the effects by which downstream reporter genes are involved in the regulation of synthetic genetic circuits.;RESULTS:Our results indicated that downstream genes exert two main effects on genes involved in the regulation of synthetic genetic circuits: (1) competition for regulatory proteins and (2) protein degradation in the cell.;CONCLUSIONS:Our findings regarding the effects of downstream genes on regulatory genes and the role of impedance in driving large-scale and complex genetic circuits may facilitate the design of more accurate genetic circuits. This design will have wide applications in future studies of systems and synthetic biology.

Waddington地形に沿った細胞種多様化のモデル実験

関根 亮二;木賀 大介

生物物理53(6)p.319 - 3202013年11月-2013年11月 

CiNii

詳細

ISSN:05824052

細胞内における人工遺伝子回路の構築(<特集>新しい資源の創出に向かって-合成生物工学の隆起-)

関根 亮二;木賀 大介

生物工学会誌 : seibutsu-kogaku kaishi91(6)p.327 - 3322013年06月-2013年06月 

CiNii

詳細

ISSN:09193758

BIO R&D 小分子人力を検出する分子デバイスのアプタザイムを利用した開発

鮎川 翔太郎;木賀 大介

Bio industry30(5)p.39 - 462013年05月-2013年05月 

CiNii

詳細

ISSN:0910-6545

生命をつくる

ジョーンズ リチャード;木賀 大介

パリティ27(2)p.22 - 262012年02月-2012年02月 

CiNii

詳細

ISSN:0911-4815

Simplification of the genetic code: restricted diversity of genetically encoded amino acids.

Kawahara-Kobayashi Akio;Masuda Akiko;Araiso Yuhei;Sakai Yoko;Kohda Atsushi;Uchiyama Masahiko;Asami Shun;Matsuda Takayoshi;Ishitani Ryuichiro;Dohmae Naoshi;Yokoyama Shigeyuki;Kigawa Takanori;Nureki Osamu;Kiga Daisuke

Nucleic acids research40(20)2012年-2012年

PubMedDOI

詳細

ISSN:1362-4962

概要::At earlier stages in the evolution of the universal genetic code, fewer than 20 amino acids were considered to be used. Although this notion is supported by a wide range of data, the actual existence and function of the genetic codes with a limited set of canonical amino acids have not been addressed experimentally, in contrast to the successful development of the expanded codes. Here, we constructed artificial genetic codes involving a reduced alphabet. In one of the codes, a tRNAAla variant with the Trp anticodon reassigns alanine to an unassigned UGG codon in the Escherichia coli S30 cell-free translation system lacking tryptophan. We confirmed that the efficiency and accuracy of protein synthesis by this Trp-lacking code were comparable to those by the universal genetic code, by an amino acid composition analysis, green fluorescent protein fluorescence measurements and the crystal structure determination. We also showed that another code, in which UGU/UGC codons are assigned to Ser, synthesizes an active enzyme. This method will provide not only new insights into primordial genetic codes, but also an essential protein engineering tool for the assessment of the early stages of protein evolution and for the improvement of pharmaceuticals.

Tunability of the ratio of cell states after the synthetic diversification by the diversity generator.

Sekine Ryoji;Yamamura Masayuki;Hagiya Masami;Kiga Daisuke

Communicative & integrative biology5(4)2012年-2012年

PubMedDOI

詳細

ISSN:1942-0889

概要::The autonomous generation of phenotypic diversity in embryonic cell populations can be explained by Waddington's landscape. The landscape proposes that intra- and inter-cellular interactions mediate the generation of cellular diversity. Recently, we implemented, in a population of Escherichia coli, a synthetic diversification, which is governed by inter-cellular signaling mediated by acyl-homoserine lactone (AHL). The cells with the diversity generator diversified into two distinct cell states, "high" and "low," if all of the cells started from the low state. The ratio of the states after the diversification was affected by the velocity of autonomous signal accumulation, which depends on the cell density and the AHL production rate of individual cells. The dependency of the ratio on the initial cell density is reminiscent of the community effect, which is observed in animal development and is important for ES-cell differentiation. Therefore, it is worthwhile reviewing the roles of natural animal gene networks with similar topologies to the diversity generator design. The diversity generator design will also be the basis for a tool to direct cell fates on the population level in tissue engineering. Here, we discuss the tunability of the ratio of cell states by our synthetic circuit design.

An aptazyme-based molecular device that converts a small-molecule input into an RNA output.

Ayukawa Shotaro;Sakai Yoko;Kiga Daisuke

Chemical communications (Cambridge, England)48(61)2012年-2012年

PubMedDOI

詳細

ISSN:1364-548X

概要::We describe the construction of an aptazyme-based molecular device that converts, through a cascade of reactions, a small-molecule input into output RNA strands. This device is applicable as an interface between a small molecule and a molecular system that accepts only nucleic acid input.

iGEMを通した合成生物学研究者の育成(第63回大会シンポジウム・ワークショップ報告)

早出 広司;上田 卓也;木賀 大介

生物工学会誌 : seibutsu-kogaku kaishi89(11)2011年11月-2011年11月 

CiNii

詳細

ISSN:09193758

生物版国際ロボコンiGEM

木賀 大介

バイオサイエンスとインダストリー = Bioscience & industry69(3)p.245 - 2472011年05月-2011年05月 

CiNii

詳細

ISSN:09148981

RTRACS: a modularized RNA-dependent RNA transcription system with high programmability.

Ayukawa Shotaro;Takinoue Masahiro;Kiga Daisuke

Accounts of chemical research44(12)2011年-2011年

PubMedDOI

詳細

ISSN:1520-4898

概要::Creating artificial biological systems is an important research endeavor. Each success contributes to synthetic biology and adds to our understanding of the functioning of the biomachinery of life. In the construction of large, complex systems, a modular approach simplifies the design process: a multilayered system can be prepared by integrating simple modules. With the concept of modularity, a variety of synthetic biological systems have been constructed, both in vivo and in vitro. But to properly develop systems with desired functions that integrate multiple modules, researchers need accurate mathematical models. In this Account, we review the development of a modularized artificial biological system known as RTRACS (reverse transcription and transcription-based autonomous computing system). In addition to modularity, model-guided predictability is an important feature of RTRACS. RTRACS has been developed as an in vitro artificial biological system through the assembly of RNA, DNA, and enzymes. A fundamental module of RTRACS receives an input RNA with a specific sequence and returns an output RNA with another specific sequence programmed in the main body, which is composed of DNA and enzymes. The conversion of the input RNA to the output RNA is achieved through a series of programmed reactions performed by the components assembled in the module. Through the substitution of a subset of components, a module that performs the AND operation was constructed. Other logical operations could be constructed with RTRACS modules. An integration of RTRACS modules has allowed the theoretical design of more complex functions, such as oscillation. The operations of these RTRACS modules were readily predicted with a numerical simulation based on a mathematical model using realistic parameters. RTRACS has the potential to model highly complex systems that function like a living cell. RTRACS was designed to be integrated with other molecules or molecular devices, for example, aptazymes, cell-free expression systems, and liposomes. For the integration of these new modules, the quantitative controls of each module based on the numerical simulation will be instructive. The capabilities of RTRACS promise to provide models of complex biomolecular systems that are able to detect the environment, assess the situation, and react to overcome the situation. Such a smart biomolecular system could be useful in many applications, such as drug delivery systems.

Tunable synthetic phenotypic diversification on Waddington's landscape through autonomous signaling.

Sekine Ryoji;Yamamura Masayuki;Ayukawa Shotaro;Ishimatsu Kana;Akama Satoru;Takinoue Masahiro;Hagiya Masami;Kiga Daisuke

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America108(44)2011年-2011年

PubMedDOI

詳細

ISSN:1091-6490

概要::Phenotypic diversification of cells is crucial for developmental and regenerative processes in multicellular organisms. The diversification concept is described as the motion of marbles rolling down Waddington's landscape, in which the number of stable states changes as development proceeds. In contrast to this simple concept, the complexity of natural biomolecular processes prevents comprehension of their design principles. We have constructed, in Escherichia coli, a synthetic circuit with just four genes, which programs cells to autonomously diversify as the motion on the landscape through cell-cell communication. The circuit design was based on the combination of a bistable toggle switch with an intercellular signaling system. The cells with the circuit diversified into two distinct cell states, "high" and "low," in vivo and in silico, when all of the cells started from the low state. The synthetic diversification was affected by not only the shape of the landscape determined by the circuit design, which includes the synthesis rate of the signaling molecule, but also the number of cells in the experiments. This cell-number dependency is reminiscent of the "community effect": The fates of developing cells are determined by their number. Our synthetic circuit could be a model system for studying diversification and differentiation in higher organisms. Prospectively, further integrations of our circuit with different cellular functions will provide unique tools for directing cell fates on the population level in tissue engineering.

DNAナノストラクチャー--ナノ構造の構築から機能構築の段階へ (2009年の成果の総まとめ 特集:物理科学,この1年) -- (生物物理)

木賀 大介

パリティ25(1)p.71 - 732010年01月-2010年01月 

CiNii

詳細

ISSN:09114815

Construction of a genetic AND gate under a new standard for assembly of genetic parts.

Ayukawa Shotaro;Kobayashi Akio;Nakashima Yusaku;Takagi Hidemasa;Hamada Shogo;Uchiyama Masahiko;Yugi Katsuyuki;Murata Satoshi;Sakakibara Yasubumi;Hagiya Masami;Yamamura Masayuki;Kiga Daisuke

BMC genomics11 Suppl 42010年-2010年

PubMedDOI

詳細

ISSN:1471-2164

概要:BACKGROUND:Appropriate regulation of respective gene expressions is a bottleneck for the realization of artificial biological systems inside living cells. The modification of several promoter sequences is required to achieve appropriate regulation of the systems. However, a time-consuming process is required for the insertion of an operator, a binding site of a protein for gene expression, to the gene regulatory region of a plasmid. Thus, a standardized method for integrating operator sequences to the regulatory region of a plasmid is required.;RESULTS:We developed a standardized method for integrating operator sequences to the regulatory region of a plasmid and constructed a synthetic promoter that functions as a genetic AND gate. By standardizing the regulatory region of a plasmid and the operator parts, we established a platform for modular assembly of the operator parts. Moreover, by assembling two different operator parts on the regulatory region, we constructed a regulatory device with an AND gate function.;CONCLUSIONS:We implemented a new standard to assemble operator parts for construction of functional genetic logic gates. The logic gates at the molecular scale have important implications for reprogramming cellular behavior.

"ありえた生物"から生命を探る合成生物学 (生命の起源--その核心に迫る) -- (われわれとは違う生命体)

木賀 大介

別冊日経サイエンス(168)p.90 - 992009年12月-2009年12月 

CiNii

詳細

ISSN:09170626

ウェット実験に基づく人工遺伝子回路の設計と制御(システムバイオロジー,システムバイオロジー,一般)

関根 亮二;中谷 元;木賀 大介;山村 雅幸

電子情報通信学会技術研究報告. CST, コンカレント工学109(165)p.19 - 242009年07月-2009年07月 

CiNii

詳細

ISSN:09135685

概要:合成生物学とは,遺伝子を電子回路の部品のように組み合わせて,所望の機能を持つ遺伝子ネットワーク(人工遺伝子回路)の設計・実装をする分野である.人工遺伝子回路の設計・実装は以下の3ステップで行われる.(1)人工遺伝子回路を設計し,その挙動をシミュレーションしながら各部品の最適なパラメータ値を事前に予測する.(2)人工遺伝子回路を実装した細胞を用いたウェット実験を行うことで,各部品の実際のパラメータ値を知る.(3)実際のパラメータ値と最適なパラメータ値を比較して,適切な部品に取り換えて,所望の機能を持つ人工遺伝子回路を構築する.このシステマティックな方法によって,従来は試行錯誤を要していた複雑な人工生命システムの開発が素早くできる.ところで,生命システムには"ゆらぎ"が付き物であり,人工生命システムにおいても同様である.ゆらぎがシステムの挙動に少なからず影響を与えるので,設計を困難にしている.本論文では,ゆらぎを考慮して生命システムの解析とシミュレーションを行った事例を紹介する.さらに,ゆらぎを考慮した生命システムの設計と実装について報告し,この困難に立ち向かう方策について展望する.

細胞ウェアの物質的・生物学的側面 (第21回 回路とシステム軽井沢ワークショップ論文集) -- ("システムバイオロジー"から合成生物学へ)

木賀 大介

回路とシステム軽井沢ワークショップ論文集21p.295 - 2972008年04月-2008年04月 

CiNii

情報系独立大学院における課題達成型プログラミング教育の分析

岡本 雅子;小野 功;木賀 大介;寺野 隆雄;山田 隆志;小山 友介;喜多 一

全国大会講演論文集70(0)p.769 - 7702008年03月-2008年03月 

CiNii

Experiments and simulation models of a basic computation element of an autonomous molecular computing system.

Takinoue Masahiro;Kiga Daisuke;Shohda Koh-Ichiroh;Suyama Akira

Physical review. E, Statistical, nonlinear, and soft matter physics78(4 Pt 1)2008年-2008年

PubMed

詳細

ISSN:1539-3755

概要::Autonomous DNA computers have been attracting much attention because of their ability to integrate into living cells. Autonomous DNA computers can process information through DNA molecules and their molecular reactions. We have already proposed an idea of an autonomous molecular computer with high computational ability, which is now named Reverse-transcription-and-TRanscription-based Autonomous Computing System (RTRACS). In this study, we first report an experimental demonstration of a basic computation element of RTRACS and a mathematical modeling method for RTRACS. We focus on an AND gate, which produces an output RNA molecule only when two input RNA molecules exist, because it is one of the most basic computation elements in RTRACS. Experimental results demonstrated that the basic computation element worked as designed. In addition, its behaviors were analyzed using a mathematical model describing the molecular reactions of the RTRACS computation elements. A comparison between experiments and simulations confirmed the validity of the mathematical modeling method. This study will accelerate construction of various kinds of computation elements and computational circuits of RTRACS, and thus advance the research on autonomous DNA computers.

"ありえた生物"から生命を探る合成生物学

木賀 大介

日経サイエンス37(7)p.56 - 642007年07月-2007年07月 

CiNii

詳細

ISSN:0917009X

概要:あの時こうしていれば──。自分の人生を振り返って「if」を考えるのは,ほとんどの場合あまり建設的ではない。

合成生物学 (Synthetic Biology) とは何か

木賀 大介

バイオサイエンスとインダストリー = Bioscience & industry65(2)p.92 - 962007年02月-2007年02月 

CiNii

詳細

ISSN:09148981

生物科学への構成的アプローチの一つとしての人工遺伝子回路(<特集>システムと生命総合特集号)

木賀 大介

システム/制御/情報 : システム制御情報学会誌50(8)p.315 - 3202006年08月-2006年08月 

CiNii

詳細

ISSN:09161600

Synthetic biology : ありえた生命の構築(バイオミディア)

木賀 大介

生物工学会誌 : seibutsu-kogaku kaishi84(7)2006年07月-2006年07月 

CiNii

詳細

ISSN:09193758

試験管内で自律的に動・作する人工遺伝子回路の構築によるsyntheticbiology

木賀 大介

情報処理学会研究報告バイオ情報学(BIO)2006(64)p.83 - 892006年06月-2006年06月 

CiNii

詳細

ISSN:09196072

概要:近年、細胞内に人工的な遺伝子回路を構築することを手段とするsyntheticbiologyが興隆している。その成果として、細胞内の遺伝子回路の振る舞いについて興味深い知見も得られつつあるが、細胞というブラックボックスに対して解析を行うことの問題点は避けることができなかった。これに対し本発表では、各種生体分子を調製して混合することで人工的な遺伝子回路を試験管内に構築する我々の戦略について報告する。とくに本研究が、情報科学と生命科壜学の共同研究として始まったDNAコンピュータ開発の流れを受け、どのように進展してきたかついて紹介する。Recently, artificial genetic circuits are constructed in cells not only to produce useful compounds but also to analyze fundamental property of cellular system. However, we have not identified functions of many proteins even in E. coli though its genome sequence is known. Thus in vitro construction of artificial genetic circuits composed by known DNAs, RNAs and proteins is an effective approach to describe system behavior of life. Here I report construction of such system originated from the DNA computing field where researchers in information science and biology have been collaborated.

合成生物学--その概念と未来 (特集 生命をデザインする合成生物学)

木賀 大介;菅 裕明

バイオニクス3(3)p.28 - 332006年03月-2006年03月 

CiNii

詳細

ISSN:13499343

DNA polymerase programmed with a hairpin DNA incorporates a multiple-instruction architecture into molecular computing.

Komiya Ken;Sakamoto Kensaku;Kameda Atsushi;Yamamoto Masahito;Ohuchi Azuma;Kiga Daisuke;Yokoyama Shigeyuki;Hagiya Masami

Bio Systems83(1)2006年-2006年

PubMed

詳細

ISSN:0303-2647

概要::Parallelism is one of the major advantages of molecular computation. A large number of data encoded in DNA molecules can be processed simultaneously by molecular biology techniques, although only a single set of instructions has been implemented in a solution. We have developed a computing machine, called the "whiplash" machine, which is made of DNA polymerase and a hairpin DNA. This machine simulates a finite state machine, executing its own instructions encoded in the DNA moiety, and would thus be applicable to multiple-instruction operation in a solution. In the present study, we explored the feasibility of this novel type of parallelism by applying the whiplash machine in a computation of the directed Hamiltonian path problem. The possible paths in a given graph were represented with different instruction sets, which were then implemented separately by whiplash machines in a test tube. After an autonomous operation of the machines, only the machine that implemented the instruction set corresponding to the Hamiltonian path was recovered from the tube. On the basis of the efficiency of machine operation, which was experimentally determined, 10(10) different instruction sets could be implemented simultaneously in a 1-ml solution.

Translation of 'rare' codons in a cell-free protein synthesis system from Escherichia coli.

Chumpolkulwong Namthip;Sakamoto Kensaku;Hayashi Akiko;Iraha Fumie;Shinya Naoko;Matsuda Natsuko;Kiga Daisuke;Urushibata Akiko;Shirouzu Mikako;Oki Kenji;Kigawa Takanori;Yokoyama Shigeyuki

Journal of structural and functional genomics7(1)2006年-2006年

PubMed

詳細

ISSN:1345-711X

概要::We analyzed the effect of nine 'rare' codons (AGA, AGG, AUA, CCC, CGA, CGG, CUA, GGA, and UUA) on gene expression in an Escherichia coli coupled transcription/translation cell-free system, in comparison with a cell-based expression system. Each reporter gene contained five consecutive repeats of a rare codon, or in some experiments, three consecutive repeats. The cell-free expression of the genes bearing the codons CGA, CUA, GGA, and UUA was not affected, although these codons, except for GGA, were inefficiently translated in E. coli cells. Translation of the remaining five codons (AGA, AGG, AUA, CCC, and CGG) was severely reduced in both systems, and was remarkably facilitated in the cell-free system based on an S30 extract from the E. coli cells overproducing 'minor' tRNAs for these codons.

Cation-pi interaction in the polyolefin cyclization cascade uncovered by incorporating unnatural amino acids into the catalytic sites of squalene cyclase.

Morikubo Noriko;Fukuda Yoriyuki;Ohtake Kazumasa;Shinya Naoko;Kiga Daisuke;Sakamoto Kensaku;Asanuma Miwako;Hirota Hiroshi;Yokoyama Shigeyuki;Hoshino Tsutomu

Journal of the American Chemical Society128(40)2006年-2006年

PubMed

詳細

ISSN:0002-7863

概要::It has been assumed that the pi-electrons of aromatic residues in the catalytic sites of triterpene cyclases stabilize the cationic intermediates formed during the polycyclization cascade of squalene or oxidosqualene, but no definitive experimental evidence has been given. To validate this cation-pi interaction, natural and unnatural aromatic amino acids were site-specifically incorporated into squalene-hopene cyclase (SHC) from Alicyclobacillus acidocaldarius and the kinetic data of the mutants were compared with that of the wild-type SHC. The catalytic sites of Phe365 and Phe605 were substituted with O-methyltyrosine, tyrosine, and tryptophan, which have higher cation-pi binding energies than phenylalanine. These replacements actually increased the SHC activity at low temperature, but decreased the activity at high temperature, as compared with the wild-type SHC. This decreased activity is due to the disorganization of the protein architecture caused by the introduction of the amino acids more bulky than phenylalanine. Then, mono-, di-, and trifluorophenylalanines were incorporated at positions 365 and 605; these amino acids reduce cation-pi binding energies but have van der Waals radii similar to that of phenylalanine. The activities of the SHC variants with fluorophenylalanines were found to be inversely proportional to the number of the fluorine atoms on the aromatic ring and clearly correlated with the cation-pi binding energies of the ring moiety. No serious structural alteration was observed for these variants even at high temperature. These results unambiguously show that the pi-electron density of residues 365 and 605 has a crucial role for the efficient polycyclization reaction by SHC. This is the first report to demonstrate experimentally the involvement of cation-pi interaction in triterpene biosynthesis.

構成的生物学 : つくることで理解する生物学

木賀 大介;山村 雅幸

人工知能学会誌20(6)p.715 - 7212005年11月-2005年11月 

CiNii

詳細

ISSN:09128085

An engineered Escherichia coli tyrosyl-tRNA synthetase for site-specific incorporation of an unnatural amino acid into proteins in eukaryotic translation and its application in a wheat germ cell-free system.

Kiga Daisuke;Sakamoto Kensaku;Kodama Koichiro;Kigawa Takanori;Matsuda Takayoshi;Yabuki Takashi;Shirouzu Mikako;Harada Yoko;Nakayama Hiroshi;Takio Koji;Hasegawa Yoshinori;Endo Yaeta;Hirao Ichiro;Yokoyama Shigeyuki

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America99(15)2002年-2002年

PubMed

詳細

ISSN:0027-8424

概要::Tyrosyl-tRNA synthetase (TyrRS) from Escherichia coli was engineered to preferentially recognize 3-iodo-L-tyrosine rather than L-tyrosine for the site-specific incorporation of 3-iodo-L-tyrosine into proteins in eukaryotic translation systems. The wild-type TyrRS does not recognize 3-iodo-L-tyrosine, because of the bulky iodine substitution. On the basis of the reported crystal structure of Bacillus stearothermophilus TyrRS, three residues, Y37, Q179, and Q195, in the L-tyrosine-binding site were chosen for mutagenesis. Thirty-four single amino acid replacements and 16 of their combinations were screened by in vitro biochemical assays. A combination of the Y37V and Q195C mutations changed the amino acid specificity in such a way that the variant TyrRS activates 3-iodo-L-tyrosine 10-fold more efficiently than L-tyrosine. This engineered enzyme, TyrRS(V37C195), was tested for use in the wheat germ cell-free translation system, which has recently been significantly improved, and is now as productive as conventional recombinant systems. During the translation in the wheat germ system, an E. coli suppressor tRNA(Tyr) was not aminoacylated by the wheat germ enzymes, but was aminoacylated by the E. coli TyrRS(V37C195) variant with 3-iodo-l-tyrosine. After the use of the 3-iodotyrosyl-tRNA in translation, the resultant uncharged tRNA could be aminoacylated again in the system. A mass spectrometric analysis of the produced protein revealed that more than 95% of the amino acids incorporated for an amber codon were iodotyrosine, whose concentration was only twice that of L-tyrosine in the translation. Therefore, the variant enzyme, 3-iodo-L-tyrosine, and the suppressor tRNA can serve as an additional set orthogonal to the 20 endogenous sets in eukaryotic in vitro translation systems.

Site-specific incorporation of an unnatural amino acid into proteins in mammalian cells.

Sakamoto Kensaku;Hayashi Akiko;Sakamoto Ayako;Kiga Daisuke;Nakayama Hiroshi;Soma Akiko;Kobayashi Takatsugu;Kitabatake Makoto;Takio Koji;Saito Kazuki;Shirouzu Mikako;Hirao Ichiro;Yokoyama Shigeyuki

Nucleic acids research30(21)2002年-2002年

PubMed

詳細

ISSN:1362-4962

概要::A suppressor tRNA(Tyr) and mutant tyrosyl-tRNA synthetase (TyrRS) pair was developed to incorporate 3-iodo-L-tyrosine into proteins in mammalian cells. First, the Escherichia coli suppressor tRNA(Tyr) gene was mutated, at three positions in the D arm, to generate the internal promoter for expression. However, this tRNA, together with the cognate TyrRS, failed to exhibit suppressor activity in mammalian cells. Then, we found that amber suppression can occur with the heterologous pair of E.coli TyrRS and Bacillus stearothermophilus suppressor tRNA(Tyr), which naturally contains the promoter sequence. Furthermore, the efficiency of this suppression was significantly improved when the suppressor tRNA was expressed from a gene cluster, in which the tRNA gene was tandemly repeated nine times in the same direction. For incorporation of 3-iodo-L-tyrosine, its specific E.coli TyrRS variant, TyrRS(V37C195), which we recently created, was expressed in mammalian cells, together with the B.stearothermophilus suppressor tRNA(Tyr), while 3-iodo-L-tyrosine was supplied in the growth medium. 3-Iodo-L-tyrosine was thus incorporated into the proteins at amber positions, with an occupancy of >95%. Finally, we demonstrated conditional 3-iodo-L-tyrosine incorporation, regulated by inducible expression of the TyrRS(V37C195) gene from a tetracycline-regulated promoter.

An RNA aptamer to the xanthine/guanine base with a distinctive mode of purine recognition

査読有り26(7)p.1755 - 17601998年04月-

PubMedlink

詳細

掲載種別:研究論文(学術雑誌)

REASSIGNMENT OF CODONS FROM ARG TO ALA BY MULTIPLE TRNA^ VARIANTS

Amikura Kazuaki;Kiga Daisuke

Viva origino41(1)p.20 - 232014年05月-2014年05月 

CiNii

詳細

ISSN:13466933

概要:We have recently developed "simplified genetic codes" in which only 19 amino acids are assigned to one sense codon each. In one simplified code, for example, the UGG codon for tryptophan is reassigned to alanine (Ala) by a tRNA^ variant. We have previously generated such codes each of which was constructed using only one kind of tRNA variant. In this study, we describe a novel simplified genetic code in which the codons of Arg were reassigned to Ala using 3 kinds of tRNA^ variants. The usage of multiple tRNA variants will be important to construct more simplified genetic codes containing less than 19 amino acids. A Simplified genetic code will provide not only new insights into primordial genetic codes, but also an engineering tool for the assessment of protein evolution.

細胞の初期状態に依存しない多様化を実現する人工遺伝子回路の設計戦略

関根 亮二;木賀 大介;山村 雅幸

Chem-Bio Informatics Journal12(0)p.39 - 492012年-2012年

CiNii

詳細

ISSN:1347-6297

概要:細胞の初期状態に依存しない細胞種多様化を実現する人工遺伝子回路は,複数の細胞種への分化誘導のツールとしての利用が期待できる.本研究では,多様化後の二つの細胞種比率が初期状態に依存しない細胞種多様化を実現するための人工遺伝子回路,Symmetric Diversity Generator (SDG)を設計した.SDGは,二つのリプレッサーによる相互抑制と,二つの拡散性アクチベーターによるリプレッサー生産・拡散性アクチベーター生産のアンバランス補正との二つの機構からなる.多様化後の細胞種比率の初期状態依存性の計算機解析から,SDG設計には改善の余地があることが分かったため,二つのアプローチで設計の改善を行った.一つ目は,拡散性アクチベーターの分解速度を上げるアプローチ,二つ目は,拡散性アクチベーターやリプレッサーに対するリプレッサー生産の感度を下げるアプローチである.SDGと同様の計算機解析から,二つ目のアプローチによって細胞種比率の初期状態依存性が大きく改善されることが分かった.これは,リプレッサー生産が大きく変化する前に拡散性アクチベーターのアンバランス補正が働くことができるようになったためであると考えられる.感度に注目した二つ目のアプローチは,すでに報告されている人工遺伝子回路のパフォーマンス向上のための簡便な方法としての利用が期待できる.

Molecular computation by DNA hairpin formation.

Sakamoto K1, Gouzu H, Komiya K, Kiga D, Yokoyama S, Yokomori T, Hagiya M.

査読有り288(5469)p.1223 - 12262000年05月-

PubMedlink

2P47 DNAコンピューティングによるブール式の並列評価

木賀 大介;小宮 健;有田 正規;坂本 健作;横山 茂之;萩谷 昌己

生物物理37(2)1997年09月-1997年09月 

CiNii

詳細

ISSN:05824052

DNA分子による自律的演算機構

小宮 健;木賀 大介;合津 秀隆;西川 明男;坂本 健作;横山 茂之;萩谷 昌巳

生物物理38(2)1998年09月-1998年09月 

CiNii

詳細

ISSN:05824052

2P301 自律的に動作する分子コンピューターによる核酸配列の変換(バイオエンジニアリング)

木賀 大介;持田 哲宏;瀧ノ上 正浩;陶山 明

生物物理44(1)2004年11月-2004年11月 

CiNii

詳細

ISSN:05824052

CONSTRUCTION OF DNA COMPUTER AS SYNTHESIS OF "LIFE" SYSTEM(From Molecules to Life-Like Systems & RNA World, International Symposium on Origins of Life and Astrobiology)

Kiga Daisuke;Takinoue Masahiro;Suyama Akira

Viva origino33(2)2005年08月-2005年08月 

CiNii

詳細

ISSN:09104003

2P125 DNAナノ構造体のプログラム可能な階層的アセンブリ(核酸 A) 構造・物性))

田川 美穂;木賀 大介;吉信 達夫;岩崎 裕;陶山 明

生物物理45(1)2005年10月-2005年10月 

CiNii

詳細

ISSN:05824052

3P351 自律的核酸分子計算素子の理論的解析と応用(その他))

瀧ノ上 正浩;木賀 大介;陶山 明

生物物理45(1)2005年10月-2005年10月 

CiNii

詳細

ISSN:05824052

3P352 RTRAC (自律型分子コンピュータ)の理学・工学応用に向けた技術基盤の構築(その他))

木賀 大介;滝ノ上 正浩;庄田 耕一郎;景山 義之;豊田 太郎;菅原 正;陶山 明

生物物理45(1)2005年10月-2005年10月 

CiNii

詳細

ISSN:05824052

2P471 A liposome containing an autonomous DNA computing system inside(50. Non-equilibrium and complex system,Poster Session,Abstract,Meeting Program of EABS & BSJ 2006)

Shohda Koh-ichiroh;Kiga Daisuke;Takinoue Masahiro;Kageyama Yoshiyuki;Sugawara Tadashi;Suyama Akira

生物物理46(2)2006年10月-2006年10月 

CiNii

詳細

ISSN:05824052

2P572 Autonomous DNA computer for SNP analysis(53. Bioengineering,Poster Session,Abstract,Meeting Program of EABS & BSJ 2006)

Kiga Daisuke;Takinoue Masahiro;Shohda Koh-ichiroh;Suyama Akira

生物物理46(2)2006年10月-2006年10月 

CiNii

詳細

ISSN:05824052

S02I1 分子コンピュータと分子通信 : 生体分子を用いての構成的アプローチ(分子コンピュータと分子通信:生物機能を利用した新たな情報処理・情報通信システム,シンポジウム,第45回日本生物物理学会年会)

木賀 大介

生物物理47(1)2007年11月-2007年11月 

CiNii

詳細

ISSN:05824052

1P302 自律的なDNA/RNA分子反応で構成された振動系(数理生物学、非平衡・生体リズム,口頭発表,第45回日本生物物理学会年会)

瀧ノ上 正浩;木賀 大介;庄田 耕一郎;陶山 明

生物物理47(1)2007年11月-2007年11月 

CiNii

詳細

ISSN:05824052

1P335 試験管内のタンパク質合成分子オートマトンの作成(バイオエンジニアリング,ポスター発表,第45回日本生物物理学会年会)

Lee Young-Hun;庄田 耕一郎;木賀 大介;陶山 明

生物物理47(1)2007年11月-2007年11月 

CiNii

詳細

ISSN:05824052

2P280 細胞サイズのリボソーム中での自律型DNAコンピューティング(生体膜・人工膜(ダイナミクス),ポスター発表,第45回日本生物物理学会年会)

庄田 耕一郎;木賀 大介;瀧ノ上 正浩;豊田 太郎;景山 義之;菅原 正;陶山 明

生物物理47(1)2007年11月-2007年11月 

CiNii

詳細

ISSN:05824052

知能情報系独立大学院における課題達成型プログラミング教育の自己評価に関する分析

岡本 雅子;小野 功;木賀 大介;寺野 隆雄;山田 隆志;小山 友介;森 幹彦;喜多 一

全国大会講演論文集71(0)p.583 - 5842009年03月-2009年03月 

CiNii

24 普遍遺伝暗号への統一と遺伝子の水平伝播(一般講演,第35回学術講演会講演要旨集)

小林 晃大;木賀 大介

Viva origino38(0)2010年03月-2010年03月 

CiNii

詳細

ISSN:09104003

33 単純化遺伝暗号表を用いたtRNAのコドン認識の検証(一般講演,第36回学術講演会講演要旨集)

網蔵 和晃;小林 晃大;木賀 大介

Viva origino39(0)2011年03月-2011年03月 

CiNii

詳細

ISSN:09104003

2SL-04 Waddington地形上において自律的な細胞間シグナリングによって表現系を多様化する調節可能なシステムの細胞内における構築(2SL 生命システムの情報処理,日本生物物理学会第49回年会(2011年度))

Sekine Ryoji;Yamamura Masayuki;Ayukawa Shotaro;Ishimatsu Kana;Akama Satoru;Takinoue Masahiro;Hagiya Masami;木賀 大介

生物物理51(1)2011年08月-2011年08月 

CiNii

詳細

ISSN:05824052

1S4p02 iGEMの歴史と教育効果(iGEMを通した合成生物学研究者の育成,ワークショップ)

木賀 大介

日本生物工学会大会講演要旨集632011年08月-2011年08月 

CiNii

1S4p05 思いやりのある大腸菌(iGEMを通した合成生物学研究者の育成,ワークショップ)

Hirose Shoya;Motazedian Ali;Uchikoshi Eriko;Kaneko Misaki;Odera Mitsuhiko;Kitano Shohei;Nakamura Taichi;Thamamongood Thiprampai;Matsubara Toshitaka;Kinoshita Yumiko;Kaneta Yusuke;Moriya Takefumi;Ayukawa Shotaro;Amikura Kazuaki;Yamamura Masayuki;Kiga Daisuke

日本生物工学会大会講演要旨集632011年08月-2011年08月 

CiNii

4Fp26 遺伝子大量発現によって双安定システムに多分化能を与える(生体情報工学,バイオインフォマティックス/システムバイオロジー/遺伝子工学,一般講演)

石松 愛;畑 敬士;木賀 大介

日本生物工学会大会講演要旨集642012年09月-2012年09月 

CiNii

11 原始タンパク質を創造するための単純化異伝暗号表(情報学的アプローチ,一般講演,第38回学術講演会講演要旨集)

網蔵 和晃;木賀 大介

Viva origino41(0)2013年03月-2013年03月 

CiNii

詳細

ISSN:13466933

「第3回地球生命研究所(ELSI)国際シンポジウム」開催報告

木村 淳;玄田 英典;藤井 友香;木賀 大介;青野 真士;北台 紀夫

遊・星・人 : 日本惑星科学会誌24(1)p.69 - 742015年03月-2015年03月 

CiNii

詳細

ISSN:0918273X

2P280 人工遺伝子回路における下流レポーター遺伝子の影響(24. 数理生物学,ポスター,第52回日本生物物理学会年会(2014年度))

Moriya Takefumi;Yamamura Masayuki;Kiga Daisuke

生物物理54(1)2014年08月-2014年08月 

CiNii

詳細

ISSN:13474219

2P-108 合成生物学の手法で構築される遺伝子発現制御の地形(代謝工学,一般講演)

張 子聡;榎本 輝也;鮎川 翔太郎;木賀 大介

日本生物工学会大会講演要旨集672015年09月-2015年09月 

CiNii

D-16-1 顕微鏡画像における細胞のテクスチャ解析(D-16.医用画像,一般セッション)

青竹 峻太郎;アトゥペラグ チャミド;張 子聡;青木 工太;長橋 宏;木賀 大介

電子情報通信学会総合大会講演論文集2016(2)2016年03月-2016年03月 

CiNii

A Bacterial Continuous Culture System Based on a Microfluidic Droplet Open Reactor

ITO Manami;SUGIURA Haruka;AYUKAWA Shotaro;KIGA Daisuke;TAKINOUE Masahiro

Analytical Sciences32(1)p.61 - 662016年-2016年

CiNii

詳細

ISSN:0910-6340

概要:Recently, micrometer-sized bacterial culture systems have attracted attention as useful tools for synthetic biology studies. Here, we present the development of a bacterial continuous culture system based on a microdroplet open reactor consisting of two types of water-in-oil microdroplets with diameters of several hundred micrometers. A continuous culture was realized the through supply of nutrient substrates and the removal of waste and excess bacterial cells based on repeated fusion and fission of droplets. The growth dynamics was controlled by the interval of fusion. We constructed a microfluidic system and quantitatively assessed the dynamics of the bacterial growth using a mathematical model. This system will facilitate the study of synthetic biology and metabolic engineering in the future.

High-frequency noise attenuation of a two-component system responding to short-pulse input

Nishida, Akifumi; Sekine, Ryoji; Kiga, Daisuke; Yamamura, Masayuki

ACM International Conference Proceeding Seriesp.28 - 352016年12月-2016年12月 

DOIScopus

詳細

概要:© 2016 ACM.Among the various biological devices developed and characterized in synthetic biology, light-sensing biological devices can serve as an input-output system owing to their light modulation property. The well-characterized devices in living systems are useful for modulating cellular sensing and transducing information. In this study, we examined short pulse responsiveness of a light-sensing two-component system (TCS), Cph8-OmpR, which was generated by replacing the sensor domain of the EnvZ-OmpR osmoregulatory system with the light sensor Cph1. We varied the input pulse width of the Cph8-OmpR system and found that an input width of <1 s was sufficient to alter the accumulation of a reporter gene upregulated by Cph8 phosphorylation of OmpR. Based on this result and the mathematical model showing that the timescale for the upstream Cph8-activity transition was much faster than that of downstream gene expression, we evaluated the merit of a TCS with such an unbalanced cascade. Our mathematical simulation of a cascade TCS suggests that high-frequency noise arising from fast transitions in kinase activity was attenuated throughout the cascade reaction. In terms of noise attenuation, these results can contribute to analyze biological cascade systems with the balance of reaction rates in each process.

Constraint-based perturbation analysis with cluster Newton method: A case study of personalized parameter estimations with irinotecan whole-body physiologically based pharmacokinetic model

Asami, Shun; Kiga, Daisuke; Kiga, Daisuke; Konagaya, Akihiko; Konagaya, Akihiko; Konagaya, Akihiko

BMC Systems Biology112017年12月-2017年12月 

DOIScopus

詳細

概要:© 2017 The Author(s). Background: Drug development considering individual varieties among patients becomes crucial to improve clinical development success rates and save healthcare costs. As a useful tool to predict individual phenomena and correlations among drug characteristics and individual varieties, recently, whole-body physiologically based pharmacokinetic (WB- PBPK) models are getting more attention. WB-PBPK models generally have a lot of drug-related parameters that need to be estimated, and the estimations are difficult because the observed data are limited. Furthermore, parameter estimation in WB-PBPK models may cause overfitting when applying to individual clinical data such as urine/feces drug excretion for each patient in which Cluster Newton Method (CNM) is applicable for parameter estimation. In order to solve this issue, we came up with the idea of constraint-based perturbation analysis of the CNM. The effectiveness of our approach is demonstrated in the case of irinotecan WB-PBPK model using common organ-specific tissue-plasma partition coefficients (Kp) among the patients as constraints in WB-PBPK parameter estimation. Results: We find strong correlations between age, renal clearance and liver functions in irinotecan WB-PBPK model with personalized physiological parameters by observing the distributions of optimized values of strong convergence drug-related parameters using constraint-based perturbation analysis on CNM. The constraint-based perturbation analysis consists of the following three steps: (1) Estimation of all drug-related parameters for each patient; the parameters include organ-specific Kp. (2) Fixing suitable values of Kp for each organ among all patients identically. (3) Re-estimation of all drug-related parameters other than Kp by using the fixed values of Kp as constraints of CNM. Conclusions: Constraint-based perturbation analysis could yield new findings when using CNM with appropriate constraints. This method is a new technique to find suitable values and important insights that are masked by CNM without constraints.

Horizontal transfer of code fragments between protocells can explain the origins of the genetic code without vertical descent

Froese, Tom; Froese, Tom; Campos, Jorge I.; Campos, Jorge I.; Fujishima, Kosuke; Fujishima, Kosuke; Kiga, Daisuke; Virgo, Nathaniel

Scientific Reports8(1)2018年12月-2018年12月 

DOIScopus

詳細

概要:© 2018 The Author(s). Theories of the origin of the genetic code typically appeal to natural selection and/or mutation of hereditable traits to explain its regularities and error robustness, yet the present translation system presupposes high-fidelity replication. Woese's solution to this bootstrapping problem was to assume that code optimization had played a key role in reducing the effect of errors caused by the early translation system. He further conjectured that initially evolution was dominated by horizontal exchange of cellular components among loosely organized protocells ("progenotes"), rather than by vertical transmission of genes. Here we simulated such communal evolution based on horizontal transfer of code fragments, possibly involving pairs of tRNAs and their cognate aminoacyl tRNA synthetases or a precursor tRNA ribozyme capable of catalysing its own aminoacylation, by using an iterated learning model. This is the first model to confirm Woese's conjecture that regularity, optimality, and (near) universality could have emerged via horizontal interactions alone.

書籍等出版物

自然計算へのいざない

小林聡, 萩谷昌己, 横森貴編著 ; 山村雅幸 [ほか] 共著

近代科学社2015年-2015年

LINK

詳細

ISBN:9784764904880;

特許

整理番号:1903

最適特性を有する非天然型タンパク質の製造方法(日本)

木賀 大介, 榎本 利彦

特願2017- 41685、特開2018-143172

外部研究資金

科学研究費採択状況

研究種別:

遺伝暗号における正確さの向上と低下がもたらす進化上のトレードオフの理解と活用

2018年-0月-2020年-0月

配分額:¥6240000

研究種別:

細胞集団内で遺伝子発現が空間分布により多様化されるための諸要素の相関の解明

2016年-0月-2019年-0月

配分額:¥17810000

研究種別:

動物細胞における複数人工遺伝子回路の組み合わせのシステム理論の確立と実践

2015年-0月-2018年-0月

配分額:¥4810000

研究種別:

グローバルな感染症等生物学的脅威を巡る新たな紛争ランドスケープの研究

2015年-0月-2018年-0月

配分額:¥17160000

研究種別:

2種細胞間に分担されたポジティブフィードバックによる細胞集団挙動のプログラミング

2014年-0月-2017年-0月

配分額:¥3640000

研究種別:

哺乳細胞内で動作する人工遺伝子回路によるエピジェネティック・ランドスケープの構築

2011年-0月-2014年-0月

配分額:¥27040000

研究種別:

単純化遺伝暗号を併用する細胞の構築

2011年-0月-2013年-0月

配分額:¥3640000

研究種別:

人工遺伝子回路の機能向上のための進化分子工学による生体分子の改良

2011年-0月-2016年-0月

配分額:¥163280000

研究種別:

合成生物学の技術基盤構築

2011年-0月-2016年-0月

配分額:¥61100000

研究種別:

アミノ酸の種類が減少した生体分子システムの構築

配分額:¥27820000

研究種別:

オープンサイエンスの分析と基盤的ソフトウェアの構築

配分額:¥3000000

研究種別:

小分子入力インターフェイスを備えた分子コンピュータの構築

配分額:¥3200000

研究種別:

遺伝暗号表の起源への実験的アプローチ

配分額:¥25740000

研究種別:

演算結果としてタンパク質を出力する自律型生体高分子コンピュータの構築

配分額:¥3100000

研究種別:

ナチュラルコンピューティングの分子実現とその設計論

配分額:¥110700000

研究種別:

初期生命が用いたタンパク質のみから構成される人工ゲノムの合成

2015年-0月-2018年-0月

配分額:¥4030000

研究種別:

生命に現在の20種類の標準アミノ酸は必要か:遺伝暗号改変による理工学アプローチ

2019年-0月-2022年-0月

配分額:¥45630000

学内研究制度

特定課題研究

原始的なエネルギー獲得系の再現

2017年度

研究成果概要:本研究は、初期生命が用いるアミノ酸の種類を追及する申請者の一連の研究を拡張するための、基礎となるものである。全生物の共通祖先も、ある段階では現在の生命と同じように、20種類のアミノ酸をタンパク質合成に用いていたことは間違いない。し...本研究は、初期生命が用いるアミノ酸の種類を追及する申請者の一連の研究を拡張するための、基礎となるものである。全生物の共通祖先も、ある段階では現在の生命と同じように、20種類のアミノ酸をタンパク質合成に用いていたことは間違いない。しかし、生命の初期進化を考察するために、それ以前、20種類のアミノ酸を用いる以前の遺伝暗号について追及する必要がある。そこで、本研究では、遺伝暗号に最後に加わった可能性が高いトリプトファン(Trp)が存在せずとも動作する解糖系を再現する。この研究のために、生体内での活性、試験管内での活性、双方からアプローチする

設計生物学:博物学ではない生物学の構築

2017年度

研究成果概要:合成生物学に対する過度の期待は、普遍的な理解の達成よりも、従来の生物工学を延長したにとどまる個々の生産系の構築を優先させる動機づけとなってしまった。本研究では、理工学一般にみられる多階層モデルを活用して部分システムの組み合わせを設...合成生物学に対する過度の期待は、普遍的な理解の達成よりも、従来の生物工学を延長したにとどまる個々の生産系の構築を優先させる動機づけとなってしまった。本研究では、理工学一般にみられる多階層モデルを活用して部分システムの組み合わせを設計・評価する、という研究サイクルの適用先として、生物学としても重要な、細胞間の通信に基づく多階層系を選択した。研究代表の木賀は、合成生物学アプローチで部分システムの組み合わせを構築し、実験と数理モデルとの整合性のある理解を達成している。本研究は、これを、合成生物学で重要な社会との関わりの調査を含めた、より広い分野に拡大するものである。

低分子触媒から高分子触媒への遷移による生命システムの深化の本質に迫る

2016年度

研究成果概要:本研究の目的は、各種反応条件による反応の進行を解析することで、低分子触媒による反応が、高分子酵素による触媒に遷移する過程を考察することにある。その過程において、(1)反応条件のバラエティ、(2)触媒となるタンパク質酵素のアミノ酸配...本研究の目的は、各種反応条件による反応の進行を解析することで、低分子触媒による反応が、高分子酵素による触媒に遷移する過程を考察することにある。その過程において、(1)反応条件のバラエティ、(2)触媒となるタンパク質酵素のアミノ酸配列における少数の置換に起因するバラエティ、2つのバラエティの組み合わせについて、反応を測定する必要がある。本学における研究室立ち上げの年度となる本年度については、特に、タンパク質酵素の種々の変異体を作成しその活性を評価した。また、本研究の成果の一部を外部資金によって別方向に拡張した成果は、早稲田大の資金による特許出願につながった

低分子触媒から高分子触媒への遷移による生命システムの深化の本質に迫る

2016年度

研究成果概要:本研究の目的は、各種反応条件による反応の進行を解析することで、低分子触媒による反応が、高分子酵素による触媒に遷移する過程を考察することにある。その過程において、(1)反応条件のバラエティ、(2)触媒となるタンパク質酵素のアミノ酸配...本研究の目的は、各種反応条件による反応の進行を解析することで、低分子触媒による反応が、高分子酵素による触媒に遷移する過程を考察することにある。その過程において、(1)反応条件のバラエティ、(2)触媒となるタンパク質酵素のアミノ酸配列における少数の置換に起因するバラエティ、2つのバラエティの組み合わせについて、反応を測定する必要がある。本学における研究室立ち上げの年度となる本年度については、特に、タンパク質酵素の種々の変異体を作成しその活性を評価した。また、本研究の成果の一部を外部資金によって別方向に拡張した成果は、早稲田大の資金による特許出願につながった

現在担当している科目

科目名開講学部・研究科開講年度学期
理工学基礎実験1A IVブロック基幹理工学部2019春学期
理工学基礎実験1A IVブロック創造理工学部2019春学期
理工学基礎実験1A IVブロック先進理工学部2019春学期
理工学基礎実験1B IVブロック基幹理工学部2019秋学期
理工学基礎実験1B IVブロック創造理工学部2019秋学期
理工学基礎実験1B IVブロック先進理工学部2019秋学期
電気・情報生命工学フロンティア先進理工学部2019春学期
電気・情報生命工学フロンティア  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2019春学期
生命科学A 【前年度成績S評価者用】先進理工学部2019春学期
電気・情報生命工学実験C先進理工学部2019秋学期
電気・情報生命工学実験C  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2019秋学期
プロジェクト研究A先進理工学部2019春学期
プロジェクト研究A  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2019春学期
プロジェクト研究B先進理工学部2019秋学期
プロジェクト研究B  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2019秋学期
卒業研究A先進理工学部2019春学期
卒業研究A  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2019春学期
卒業研究B先進理工学部2019秋学期
卒業研究B (春学期) 先進理工学部2019春学期
卒業研究B  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2019秋学期
卒業研究B (春学期)  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2019春学期
生命科学B (1) 先進理工学部2019秋学期
生命科学B 【前年度成績S評価者用】先進理工学部2019秋学期
生化学先進理工学部2019秋学期
合成生物学先進理工学部2019春学期
システム生物学先進理工学部2019集中講義(秋学期)
Graduation Thesis A先進理工学部2019秋学期
Graduation Thesis B先進理工学部2019春学期
修士論文(電生)大学院先進理工学研究科2019通年
Research on Synthetic Biology 大学院先進理工学研究科2019通年
合成生物学研究大学院先進理工学研究科2019通年
設計生物学大学院先進理工学研究科2019秋学期
システム生物学大学院先進理工学研究科2019集中講義(秋学期)
Advanced Seminar A大学院先進理工学研究科2019春学期
特別演習A大学院先進理工学研究科2019春学期
Advanced Seminar B大学院先進理工学研究科2019秋学期
特別演習B大学院先進理工学研究科2019秋学期
Seminar on Synthetic Biology A 大学院先進理工学研究科2019春学期
合成生物学演習A大学院先進理工学研究科2019春学期
Seminar on Synthetic Biology B 大学院先進理工学研究科2019秋学期
合成生物学演習B大学院先進理工学研究科2019秋学期
Seminar on Synthetic Biology C 大学院先進理工学研究科2019春学期
合成生物学演習C大学院先進理工学研究科2019春学期
Seminar on Synthetic Biology D 大学院先進理工学研究科2019秋学期
合成生物学演習D大学院先進理工学研究科2019秋学期
Master's Thesis (Department of Electrical Engineering and Bioscience)大学院先進理工学研究科2019通年
合成生物学研究大学院先進理工学研究科2019通年