DNA言語に対する生成AI基盤モデルを開発 オーソログ進化パターンに基づく遺伝子配列再設計で異種生物での高発現を可能に ~バクテリアのプラスチック分解能力を最大約10倍向上~

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2026-03-04 北里大学

北里大学、慶應義塾大学、信州大学の研究グループは、DNA配列を言語として扱う生成AI基盤モデル「OrthologTransformer」を開発した。共通祖先に由来する遺伝子であるオーソログの進化パターンを学習することで、導入先の生物に適した遺伝子配列を生成できる点が特徴である。この手法は従来のコドン最適化とは異なり、同義置換だけでなく非同義変異や挿入・欠失も自然な範囲で取り入れた遺伝子再設計を可能にする。45種の細菌・450通りの種間変換で検証した結果、既存手法より高い性能を示した。さらに、プラスチック分解酵素PETaseを枯草菌で発現させた実験では、生成AIで再設計した遺伝子により反応生成物量が最大約10倍増加した。今後はゲノム全体の設計を可能にするAI基盤技術として、バイオ製造や環境分解技術への応用が期待される。

DNA言語に対する生成AI基盤モデルを開発 オーソログ進化パターンに基づく遺伝子配列再設計で異種生物での高発現を可能に ~バクテリアのプラスチック分解能力を最大約10倍向上~
研究の概要
生成AI「OrthologTransformer」でDNA配列を再設計したプラスチック分解酵素を枯草菌に導入

<関連情報>

オーソログ情報と生成モデリングを活用した種間遺伝子再設計 Cross-species gene redesign leveraging ortholog information and generative modeling

Manato Akiyama,Motohiko Tashiro,Ying Huang,Mika Uehara,Taiki Kanzaki,Mitsuhiro Itaya,Masakazu Kataoka,Kenji Miyamoto & Yasubumi Sakakibara
Nature Communications  Published:03 March 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-69966-0

Abstract

Conventional approaches to heterologous gene expression rely on codon optimization, which is limited to swapping synonymous codons and fails to capture deeper adaptive changes. In contrast, naturally evolved orthologous genes include non-synonymous mutations, insertions, and deletions that confer functional adaptation to different host contexts. Here we present OrthologTransformer, a Transformer-based deep learning model that converts orthologous genes between species by learning from large-scale orthologous gene datasets. The model recapitulates evolutionary differences—from synonymous codon swaps to amino acid-changing mutations and indels—to predict coding sequences optimized for target species while preserving protein function. In extensive tests across diverse bacterial species pairs, the model’s context-aware gene designs more closely resembled native host orthologs, preserved protein functionality, and achieved superior expression yields compared to codon-optimized sequences. As proof of concept, an OrthologTransformer-redesigned PETase expressed in Bacillus subtilis showed robust activity, producing approximately 10-fold more reaction product than the codon-optimized enzyme, and achieving higher expression levels, thereby demonstrating improved enzyme performance via AI-guided gene design.

細胞遺伝子工学
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