ナノポア × 機械学習:複雑なタンパク質混合物の識別を可能にする新手法

ad

2025-10-07 東京大学

東京大学大学院理学系研究科の上村想太郎教授らの研究チームは、固体ナノポアと機械学習を組み合わせ、電圧条件を多次元的に利用する新手法「電圧マトリックス・ナノポアプロファイリング」を開発した。従来は単一電圧下でしか識別できなかった複雑なタンパク質混合物を、多様な電圧条件の電流シグナル解析により高精度に分類。がんバイオマーカーCEAとCA15-3の混合試料をモデルに、電圧依存的な構造差や相互作用を可視化した。さらにマウス血清試料でも、遠心処理の有無を識別可能であり、未知の疾患バイオマーカー探索や創薬への応用が期待される。成果は『Chemical Science』誌に掲載され、表紙にも選出された。

ナノポア × 機械学習:複雑なタンパク質混合物の識別を可能にする新手法

ナノポア電圧マトリックス解析の概念図

<関連情報>

タンパク質混合物の識別のための電圧マトリックスナノポアプロファイリング Voltage-matrix nanopore profiling for the discrimination of protein mixtures

Ryo Akita, Artem Lysenko, Keith A. Boroevich, Tatsuya Yokota, Daiki Kawai, Ryo Iizuka, Tatsuhiko Tsunoda and Sotaro Uemura
Chemical Science  Published:23 Sep 2025
DOI:https://doi.org/10.1039/D5SC05182G

Abstract

Solid-state nanopores are attracting attention as a label-free method for detecting diverse physical properties of biomarkers. However, improving molecular discrimination in complex biological samples remains a major challenge, partly due to uncertainty in selecting optimal measurement conditions. We developed a Voltage-Matrix Analysis that visualizes classification accuracy across multiple voltages using machine learning. We measured two tumor markers (CEA and CA15-3) individually and in mixtures using solid-state nanopores, applying Random Forest and Support Vector Machine classifiers. Overfitting occurred when baseline-involving features were used, necessitating optimization of the feature set, which led to voltage-independent high classification performance. For mixed samples, we estimated actual molecular ratios by combining classification probability histograms with detection frequency correction. We further tested mouse serum with and without centrifugation and achieved notable classification accuracy. These findings suggest that voltage-dependent structural changes influence molecular discrimination, and that our method may aid diagnosis of diseases lacking known biomarkers by identifying specific molecular population shifts.

生物化学工学
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました