実験技術開発におけるデジタル化の現状と取り組み

発表者:
所属：
イベント名：

笹川 洋平 (Yohei SASAGAWA)
理化学研究所バイオインフォマティクス研究開発チーム
第7回JaLC「対話共創の場」〜コロナ禍を背景とした研究のデジタル化ソリューションに向けて〜

日時:
開催場所:

2021/01/21 木 15:40-15:55 (発表15min)
ZOOM

Agenda1．自己紹介〜ちょっとだけ研究の話〜
2．実験現場のデジタル化の話〜実験関連のデータを電子化し集約する〜〜目に見えないものをできるだけ計測し、避けたり制御したりする〜
3．研究におけるコミュニケーションの変遷〜コミュニケーションを補う・加速する〜

Agenda1．自己紹介〜ちょっとだけ研究の話〜
2．実験現場のデジタル化の話〜実験関連のデータを電子化し集約する〜〜目に見えないものをできるだけ計測し、避けたり制御したりする〜
3．研究におけるコミュニケーションの変遷〜コミュニケーションを補う・加速する〜

About me & COI 〜笹川 洋平〜

Y-SASA@ecPDCNRA

産業界アカデミア
専門: 実験技術開発所属チームの体制とミッション

技術顧問

1細胞RNA-seq法Quartz-Seq2法 (2018)
1細胞遺伝子発現
Quartz-Seq
Quartz-Seq2
RamDA-seq[埼玉県和光市]
RNA代謝データ解析

ODEGRfinder
Millfeyetc

Informatics

バイオインフォマティクス
研究開発チーム
実験計測技術
Biotechnology/Hardware

株式会社ナレッジパレット
再生医療の高品質化事業を行うベンチャー

転写制御ネットワーク

https://www.knowledge-palette.com/

SCODE
etc

製品化連携

細胞分化・相互作用

1細胞ソーター開発

ロボット制御プログラム

高精度磁気スタンドCellFishing.jl
scTensoretc

1細胞RNA-seq法Quartz-Seq法 (2013)
細胞空間配置・発生
Fate-seqetc(日本ジェネティクス社)[兵庫県神戸市]
Images (organs, cells, some tools) are from © 2016 DBCLS TogoTV

1細胞RNAシーケンス法による細胞型の決定〜ヒト疾患の理解、再生医療・創薬などにつながる〜細胞型と細胞状態からのヒトの理解~1細胞生物学によるヒト疾患の理解と制御~

ヒト個体>臓器や組織の振る舞いは、多様な細胞型や細胞状態の平均値

1細胞のRNAの種類と量を調べることで事前知識無く、細胞型とその機能の推定が可能
1細胞RNAシーケンス法 (実験手法)

臓器・組織 >細胞型や細胞状態の単離・培養は困難

細胞型

細胞型の決定(Cell type)

少なくとも数百種類以上細胞型の機能の推定

細胞状態(Cell state)
分化成熟
老化

The images (Human, organs, cells) are from© 2016 DBCLS TogoTV

増殖

ヒト個体の疾患の理解や創薬開発に、1細胞RNAシーケンス法が非常に有効である。

国際的な1細胞RNA-seq法の性能比較研究〜（実験技術）開発したQuartz-Seq2が世界最高成績だった 2020年〜
Dr. Holger Heyn

1細胞RNA-seq法の公平・正確な比較

CNAG in Spain

我々含む、13手法25機関が参加開発したQuartz-Seq2が総合性能が最も高い
検出感度は、他の1.5-5倍高かった。
様々な指標で公平に比較され各方法の特徴が詳細に明らかになった

https://www.cnag.crg.eu/teams/genomeresearch-unit/single-cell-genomics-team

June 2020

遺伝子検出数https://www.riken.jp/press/2020/20200407̲1/index.html

https://www.riken.jp/press/2020/20200407̲1/index.html

Agenda1．自己紹介〜ちょっとだけ研究の話〜
2．実験現場のデジタル化の話〜実験関連のデータを電子化し集約する〜〜目に見えないものをできるだけ計測し、避けたり制御したりする〜
3．研究におけるコミュニケーションの変遷〜コミュニケーションを補う・加速する〜

実験現場における2種類のデジタル化〜「データ取得と保存」、及び「実験環境モニタリングと制御」〜
データ取得と保存実験プロトコル

電子化

データを電子化し一箇所に集める

備忘録音声メモスマートスピーカーを通じた記録

実験機器
log/data

IoT/手動データ転送
電子記述実験の記述

実験環境モニタリングと制御

撮影と転送

実験作業画像・動画
実験デザイン

環境因子をできるだけ計測し、改善へ
環境: 温度・湿度・粒子数・tVOCなど10項目
機器: 温度・ドア開閉・分注精度など4項目

実験現場におけるデジタル化〜「データ取得と保存」〜〜「実験環境モニタリングと制御」〜

実験現場における2種類のデジタル化〜「データ取得と保存」、及び「実験環境モニタリングと制御」〜
データ取得と保存実験プロトコル

電子化

データを電子化し一箇所に集める

備忘録音声メモスマートスピーカーを通じた記録

実験機器
log/data

IoT/手動
データ転送
電子記述

実験の記述

実験環境モニタリングと制御

撮影と転送

実験作業画像・動画
実験デザイン

環境因子をできるだけ計測し、改善へ
環境: 温度・湿度・粒子数・tVOCなど10項目
機器: 温度・ドア開閉・分注精度など4項目

実験の都合上実験記述を電子化する〜RNAを分解する酵素 (RNase) を嫌う実験環境〜

ものすごく少ない量のRNA✗紙ノート

机・物品・試薬など全てをRNase free にして扱う✅ 電子記述ノート1

PC1 (with RNase)

居室

mRNA量:10-100兆分の1グラム
通常の実験の10-100万分の1

手のひら含めて人間からは、RNAを分解する酵素が出ている

手袋・マスク着用の上保護部位以外の接触を避ける✗

Data + RNase

実験室

RNaseを失活させる試薬で除染して持ち込む

電子化
Data

即時データを同期
ノート1

LATB STAFF of ThermoFisher Scientifichttps://www.thermofisher.com/blog/learning-at-thebench/degradation-of-rna/✗Dropbox, box

PC2 (RNase free)

実験関連情報をできるだけ電子化し集約する〜IoT生活機器なども利用し周辺データも集約する〜

関連情報も速やかに電子化して記録する

電子プロトコルや記述、実験機器 (+IoT)

複数名で行うプロジェクトで、円滑なコミュニケーションを促進

IoT化加速傾向

0. プロジェクトの説明
2. 実験ノート（log）

フォルダ構造を決めておく

3. 実験データ

画像などによる記録

命名規則[実行日付]̲[オリジナル].拡張子

紙媒体など

作業画像

撮影と記録

実験デザイン
使用した実験プロトコル

作業動画
実験デザイン

音声によるメモ
様々な実験機器からの排出データや解析結果

4. 2-3のまとめ・可視化
専用の管理システムにすると、依存地獄になる可能性があるので単純な管理にした。なので、Readmeは大事。

記録先web連携サービス

文章

スマートスピーカー

音声実験現場におけるデジタル化〜「データ取得と保存」〜〜「実験環境モニタリングと制御」〜

実験現場における2種類のデジタル化〜「データ取得と保存」、及び「実験環境モニタリングと制御」〜
データ取得と保存実験プロトコル

電子化

データを電子化し一箇所に集める

備忘録音声メモスマートスピーカーを通じた記録

実験機器
log/data

IoT/手動
データ転送
電子記述

実験の記述

実験環境モニタリングと制御

撮影と転送

実験作業画像・動画
実験デザイン

環境因子をできるだけ計測し、改善へ
環境: 温度・湿度・粒子数・tVOCなど10項目
機器: 温度・ドア開閉・分注精度など4項目

実験環境をモニタリングし制御する〜湿度変動が与える実験のハンドリングミスなどを防ぐ〜
微量液滴を扱う際は静電気対策必須
静電気による液滴の移動

湿度をreal-timeにモニタニングし可視化目的の湿度に制御
除湿機

加湿機

IoT生活機器
Netatmo

3uL
帯電するとチャンバー
無風イオナイザー
温度・湿度・気圧
騒音・CO2濃度

創薬分野での薬剤の扱いでは湿度管理重要

実験前・途中のイオナイザーによる除電

薬剤を溶解させるDMSOは吸湿性が高く吸湿により、薬剤不溶による濃度低下に至る
常温放置で、半日で10%吸湿。
https://labchem-wako.fujifilm.com/jp/product/detail/W01W0104-0721.html

実験環境をモニタリングし制御する〜微粒子の実験への影響と制御〜
計測する部屋がある地区

パーティクル
カウンター*ISOクラス1クリーンベンチ*空気清浄機複数台
空気清浄機1台
空気清浄機

ISOクラス1クリーンベンチ

空気清浄機
なし

超クリーン

一般実験室
クリーンベンチ

数十万-数千万個/m3以上の粒子が、通常空間では飛散しているが、ISO1クリーンベンチでほぼ0にできる実験環境をモニタリングし制御する

粒子数をモニタリングする〜微粒子の実験への影響と制御〜

uHoo

IoT

まぁまぁ綺麗な実験環境 (空気清浄機付き)

A-dimer

0 pg NTC(20 cycle)

Contami粒子には、バクテリアなど由来のDNA分子が付着している
ヨーグルト生産菌
Not
determined33%

数十万粒子/m3

NTC

0-10粒子/m3

IoT

Lactobacillus
delbrueckii
subsp.
bulgaricus
42%(0.5pg contami)

ISOクラス1クリーンベンチ

A-dimer

モニター機能付き空気清浄機

0 pg NTC(20 cycle)

試薬汚染時に備えバックアップを設ける
Mouse
3%
Human
4%

Alteromonas
macleodii str
18%

クリーンベンチ内で分注

海洋性バクテリア
オリジナル
分注品

微量核酸を扱う上で、粒子のモニタリングと制御は必須

輸送温度をモニタリングする〜ちゃんと運ばれているか「国際共同研究にて」〜
Dr. Holger Heyn

開始当初、途中で溶ける可能性。。。
(国際大会に) そうなれば参加もできない。。。

結果、Quartz-Seq2が成績よくてよかったが、、>10,000 km, 3 Days

CNAG in Spain

2018/03/06
In-flight

Temperature (ºC)

https://www.cnag.crg.eu/teams/genomeresearch-unit/single-cell-genomics-team

GMT+09:00
0.0
05 12:00
06 0:00
-10.0
-20.0
-30.0
-40.0
-50.0
-60.0
-70.0
-80.0
-90.0

Barcelona (Packing)
March 5
17:20

June 2020

Barcelona

NaritaZurich06 12:00

07 0:00

07 12:00

08 0:00

08 12:00

09 0:00

2018/03/07
Quarantine

Wako

2018/03/05
Quarantine

2018/03/08
Arrival

2018/03/05
Shipping START

サンプルと温度loggerを同時に送る
Under -65ºC

ZurichMarch 6
15:15

NaritaMarch 7
8:55

Wako (Arrival)
March 7
13:45

細胞サンプルの輸送温度のモニタリングは重要

GMT+09:00

ドライアイスは-79ºC

Agenda1．自己紹介〜ちょっとだけ研究の話〜
2．実験現場のデジタル化の話〜実験関連のデータを電子化し集約する〜〜目に見えないものをできるだけ計測し、避けたり制御したりする〜
3．研究におけるコミュニケーションの変遷〜コミュニケーションを補う・加速する〜

チーム内のコミュニケーション

PI: 二階堂TL〜所属ラボのSlackを中心としたコミュニケーションの場〜
研究者

Web

IoT

Slack

文献情報

リアルタイム, 拡張性, プロジェクトごとに管理しやすい
新型コロナの最初の非常事態宣言の時も混乱は少なかった情報を集めた有意義なプラットフォーム

実験におけるコミュニケーションの変遷〜現場に行けないと、実験ではやっぱり困ることも多い〜

新型コロナの影響により拠点間の移動が激減[埼玉県和光市]

1/10以下バイオインフォマティクス
研究開発チーム100

実験室の現場は見ないと分からないもしくは効率がものすごい悪い
1．実験手技指導もしくは共有
2．機器の使用方法指導
具体的手技がシームレスに見たい・訊きたい

90[兵庫県神戸市]

418 km5 hours

相対出張頻度 (%)

807060504030201002019 2020

Onlineでも以下必要
a. 実物を両者が見られる
b. real-timeでやりとりできる
c. 見せる場所を限らない機動力
d. 迅速に始められる
e. 持続可能な簡便さ

実験におけるコミュニケーションの変遷〜電子機器でコミュニケーションを補うもしくは加速させられる〜
実験打ち合わせのweb化実験における遠隔作業支援と実験プロトコル動画化

offlineホワイトボード

スマートグラス

ほぼリアルタイムでバッテリー
視界共有+会話

PC

PC

以前
モニター

カメラ

コミュニケーションの劣化を最低限補える〜現実の方が良いが、だいぶましになる〜
PC +Web会議サービス
併用する
現在 タブレット +共有ホワイトボード

装着者

同時に録画

指示者 or 受講者

実験プロトコル動画化しやすい (研究で頻度が高い)
何度も同じことを教える際に非常に有効。
公開により方法の評価も上がる

まとめ
1. 実験のデジタル化
a. IoT機器や汎用アプリの拡充で、データのデジタル化が簡便に。
集約およびそのルールの共有で、共同研究が円滑に。
b. 環境因子は計測できれば怖くない。制御の道筋が立つ。

2. コミュニケーション
a. 情報集約つきのSlackを中心としたプラットフォームは有効。
b. 実験現場の打ち合わせ・技術指導などではonline化に障壁があるが、遠隔作業支援用などの電子デバイスを使うと大幅に改善できる。
スマートグラス+AIで料理支援の例

Other.
a. 電子化のデメリットは、デバイスの価格が高いこと。
b. 今後、低価格化が進み、ますます実験のデジタル化が進むだろう。
c. 実験作業のデータ蓄積で、AIによる判定や支援なども？
Making sushi rolls in Vuzix AR glasses withAI support
https://www.youtube.com/watch?v=glfV79izHtA&feature=emb̲logo

謝辞
日本学術振興会（JSPS）科学研究費補助金若手研究B「多数の1細胞から定量性のある網羅的遺伝子発現情報を取り出すための基盤技術の開発（研究代表者：笹川洋平）」
日本学術振興会（JSPS）科学研究費補助金基盤研究B「逆転写酵素による鋳型非依存的な塩基付与の法則の理解と完全長cDNA合成の精緻化（研究代表者：笹川洋平）」
科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業（CREST）「[1細胞] 統合1細胞解析のための革新的技術基盤（研究統括：菅野純夫）」研究課題「臓器・組織内未知細胞の命運・機能の1細胞オミクス同時計測（研究代表者: 二階堂愛）」
JSTおよび日本医療研究開発機構（AMED）再生医療実現拠点ネットワークプログラム「iPS・分化細胞集団の不均質性を1細胞・全遺伝子解像度で高速に測定する技術の開発(研究代表者: 二階堂愛)」「超多検体オミクスによる細胞特性の計測(研究代表者: 二階堂愛)」右記の画像（ヒト、臓器、細胞、ピペット、チューブ）はTogoTVからの出典（© 2016 DBCLS TogoTV）です。ありがとうございました。
所属研究室のメンバーに感謝申し上げます。