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研究力

▼WASEDA研究特区―プロジェクト研究最前線―

分子、細胞から個体まで――
多階層アプローチで生命現象を捉えなおす

先進生命動態研究所(理工・重点研究領域)

先進生命動態研究所の所長を務める大島登志男・理工学術院教授

【解説:理工学術院総合研究所・重点研究領域】
 早稲田大学では創立150周年(2032年)へ向けたVision150を制定し、13の核心戦略を展開している。その1つに掲げられているのが「独創的研究の推進と国際発信力の強化」という核心戦略である。この核心戦略を特に科学技術分野において推進するために、理工学術院総合研究所(理工総研)が中心となって社会の課題に応える7つの重点研究領域が新たに設置された。それぞれの領域ごとに2018年4月に研究所が開設され、世界トップレベルの研究を目指していく。専攻の枠を超えて重点分野の国際的な研究力の強化を図るために、クラスター研究所と称するこれら研究所群の相互連携を図り、今後のさらなる研究ビジョンを構想する場として「早稲田地球再生塾(WERS)」を立ち上げていく。

各重点研究領域に発足する7つのクラスター研究所

7領域の研究代表者やメンバーらが集結した重点研究領域発足記念シンポジウム(2017年12月22日)

 今回は7つの重点研究領域から「先進生命動態研究所」にフォーカスし、2018年4月にスタートした研究所の活動ビジョンについて、所長を務める大島登志男・理工学術院教授に話を聞いた。

部分から全体へ向かう生命科学

 生命科学では、分子レベルから、細胞、組織、個体といった階層ごとに解明が進められてきた。それぞれの階層に専門分野が分かれ、研究者はその中でさらにターゲットを絞って自分の得意分野を深く掘り下げてきた。しかし近年、それらを統合的に理解しようとする新しい流れが登場している。新たな解析技術の開発に加えて、コンピュータの計算性能の飛躍的向上、ビッグデータ解析のような人工知能技術による分析手法の登場などにより、以前は考えられもしなかった大規模なデータを取り扱うことができるようになり、それが科学の方法論に変革をもたらしている。生命科学の分野でもその影響効果は顕著で、多階層にわたる生命の動的な生体システムやネットワークを統一的に理解すること、さらには時間軸も加えたダイナミックな理解が可能になってきた。

 「生命現象は階層を超えた全体として存在するのですが、そのシステムやネットワークの複雑さを捉えるには研究手法に限界があって、部分に切り分けてアプローチするしかなかった。それがようやく全体的なアプローチができるまで、解析技術やコンピュータパワーが追いついてきました。1990年代のヒトゲノム解析プロジェクトでは、世界各地の研究者が手分けして、長い年月と莫大なコストがかけられました。それがわずか10年20年の間に、次世代シークエンス(遺伝子塩基配列の高速検出技術)の開発もあり、一つの研究機関や研究室でも、スケールの大きな研究に安価なコストでアプローチでき、しかも短時間で結果が出せるようになったのです」(大島教授)

 生命科学の黎明期には、生命において全体は部分の総和か、あるいは部分の総和以上のものかという、哲学的議論が盛んに行われた。もし物理学の伝統的な方法論である「還元主義」=全体は部分の総和という考え方で生命科学が解けるのであれば、階層ごとに分業された研究成果をパズルのように組み合わせていけば、生命の全体についても展望が得られるはずだ。ところが、実際はそう簡単ではない。部分の研究だけでは、やはり部分と部分を繋げるシステムやネットワークの存在がこぼれ落ちてしまう。

 その議論の答えを待つまでもなく、研究方法の進化によってシステム的アプローチの実践が可能になった。研究所では科学的到達目標の中心的な柱として、「包括的なアプローチによる新しい生命科学研究の創出」を掲げている。図1にその概念図を示した。赤い矢印で示されたように、階層を超えたシステム的アプローチで、部分の研究だけでは分からなかったことの探究が、これからの研究で必要とされるところだ。

図1 科学的到達目標:新しい生命科学研究の創生

先進的なビッグデータ解析を展開

 新しい方法論を通じた研究展開と出口の例を描いたものが図2である。前掲の図1にも出てきた「オミックス解析」というのは、遺伝子の発現分析、タンパク質の構造解析、細胞内代謝物の解析などが統合された多目的な分析手法で、ビッグデータから包括的な生命現象の数理モデルを構築するのに役立つデータを導き出す。この他にも「シングルセル解析」、さらには生体高分子の高次構造解析と計算科学の融合による「ダイナミック構造生物学」などの新しいアプローチが持ち込まれる。また、以前から展開されてきた「システムバイオロジー」という考え方も、この枠組みのもとでさらにパワーアップさせていく計画だ。

図2 新しい生命科学の方法論と研究・社会実装

 シングルセル解析というのは、100個なら100個の細胞1つ1つをすべて解析して、それらの差異も含めて全体として分析する手法だ(図3)。例えば、臓器を構成している細胞は、決してすべてが同じではなく、1つ1つ異なる。しかしやはり研究手法の限界があり、これまでは研究対象の細胞群をすべて均一なものとみなしてサンプル細胞を分析してきた。

図3 生体組織からのシングルセル解析の流れ

 「ビッグデータの時代に入って、シングルセル解析が今の細胞研究のトレンドになってきました。本学はこの手法で国内最大の技術蓄積を誇っており、研究所のメンバーでもある竹山春子教授(生物工学)や、新規若手メンバーでもある細川正人・研究院講師が主要な牽引役を担っています。竹山教授の技術と知見を他のメンバーとの共同研究に投入して、シングルセル解析を様々な研究テーマに展開していきます」(大島教授)

 生命科学におけるビッグデータ解析手法の開発についても、早稲田大学と国立研究開発法人産業技術総合研究所との共同プロジェクトとして、「産総研・早大 生体システムビッグデータ解析オープンイノベーションラボラトリ」が2016年7月からすでにスタートしており、竹山教授がラボ長として活動を推進している。同ラボの成果にもとづき、研究所は常に最先端の分析手法を投入していける環境をも得ている。

 一方、システムバイオロジーというのは、生命科学にシステム工学の手法を持ち込み、生体内における様々な相互作用を1つのシステムとして捉え、制御工学の手法を用いて生物の仕組みを紐解いていく手法だ。早稲田大学では、このアプローチを用いる生命工学系の研究者が多数おり、研究所のメンバーのほとんどがそうしたアプローチを得意としている。

 「これはまさに、本学の理工学が推進してきた〈理学と工学の融合〉、さらにそこに医科学系の研究を加える〈医理工融合〉の、一連の学際的展開のなせるところです。これが医学部や医大のなかでは、なかなか難しいところで、本学の強みを最も発揮できるところです」(大島教授)

健康・医療分野への社会実装も

 研究所の目標には、前述した「包括的な研究による新しい生命科学の創出」という学術的な目標も含めて3つの柱が立てられている。2番目は予防医療・健康増進の分野へ研究成果を実用化すること、3番目は医療への貢献、難しい疾患の病態を解明し、新規治療法や診断手法の開発につなげることである。

 「2番目では、柴田重信教授が展開してきた時間栄養学や、服部正平教授と竹山教授が進めている腸内細菌叢解析研究などを組み合わせながら、健康の3大要素と言われる「食・栄養」「運動」「休息」の総合的なシステムバイオロジーを展開し、健康科学の本質に迫りたいと考えています。

 3番目では、私の専門である脳疾患の研究、例えばアルツハイマー病やパーキンソン病のような難治疾患の原因や治療法の解明、武岡真司教授のユニークな医療用ナノシートの研究開発を推進していきます」(大島教授)

図4 電子ナノ絆創膏による生体情報モニタリング

 服部教授は、2016年に日本人など12ヵ国のヒト腸内細菌叢の比較分析を行い、腸内細菌が少なくとも1,200万以上の遺伝子を持つことを見出し、その国際比較や日本人の特徴を明らかにするなどの成果で、国際的に注目されている。研究所の立ち上げに伴って、研究メンバーの中に入って、各分野領域のつなぎ役を果たしていくことが期待されている。生命科学の新たな地平で、生命現象の解明とその社会還元を展開していく先進生命動態研究所の活動に期待が大きい――。