JP7473251B2 - Genome Analysis Methods - Google Patents

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Description

本発明は、ゲノム解析方法に関する。 The present invention relates to a genome analysis method.

単一細胞解析を行う方法、及び、そのための装置が知られている。
特許文献1には「2つ以上の細胞または細胞様構造物を含む試料を用い、該細胞または細胞様構造物を1細胞または構造物単位ずつ液滴中に封入する工程と、該液滴をゲル化してゲルカプセルを生成する工程と、該ゲルカプセルを1種以上の溶解用試薬に浸漬して前記細胞または細胞様構造物を溶解する工程であって、該細胞中のポリヌクレオチドが該ゲルカプセル内に溶出し該ポリヌクレオチドに結合する物質が除去された状態で前記ゲルカプセル内に保持される、工程と、該ポリヌクレオチドを増幅用試薬に接触させて該ポリヌクレオチドをゲルカプセル内で増幅する工程とを含む、細胞または細胞様構造物中のポリヌクレオチドを増幅する方法。」が記載されている。
Methods for performing single cell analysis and devices therefor are known.
Patent Document 1 describes a method for amplifying a polynucleotide in a cell or cell-like structure, comprising the steps of: using a sample containing two or more cells or cell-like structures, and encapsulating the cells or cell-like structures in liquid droplets one cell or structure at a time; gelling the droplets to produce gel capsules; immersing the gel capsules in one or more types of lysis reagents to lyse the cells or cell-like structures, wherein polynucleotides in the cells are dissolved into the gel capsule and are retained in the gel capsule in a state in which substances that bind to the polynucleotides have been removed; and contacting the polynucleotides with an amplification reagent to amplify the polynucleotides in the gel capsule.

国際公開第2019/216271号International Publication No. 2019/216271

多様な細胞を含む生物学的サンプルに難培養性細胞が含まれる場合、その難培養性細胞の機能解析のためには、その生物学的サンプルの全ゲノム解析が不可欠とされてきた。特許文献1に記載されるような単一細胞解析は、1細胞を分離し、その細胞中のポリヌクレオチドを増幅して読み取ることができるため、特に難培養性細胞の全ゲノム解析に大きく貢献している。また、個々の細胞に分離せずに行う、従来公知の全ゲノム(メタゲノム)解析も、依然として上記のような目的には有用である。When a biological sample containing a variety of cells contains cells that are difficult to culture, whole genome analysis of the biological sample has been considered essential for functional analysis of the cells that are difficult to culture. Single cell analysis as described in Patent Document 1 can isolate a single cell and amplify and read the polynucleotides in that cell, and therefore has made a significant contribution to whole genome analysis, particularly of cells that are difficult to culture. In addition, conventional whole genome (metagenomic) analysis, which is performed without isolating individual cells, is still useful for the above-mentioned purpose.

しかし、特許文献1に記載された単一細胞解析においては、各細胞由来のポリヌクレオチドを増幅してシークエンスするため、増幅過程に問題があると、配列カバー率が不十分になることがあった。また、メタゲノム解析においては、十分な品質のドラフトゲノムを得ようとすることは原理的に難しい場合が多い。However, in the single-cell analysis described in Patent Document 1, polynucleotides derived from each cell are amplified and sequenced, so if there is a problem in the amplification process, the sequence coverage rate may be insufficient. Also, in metagenomic analysis, it is often difficult in principle to obtain a draft genome of sufficient quality.

そこで本発明は、より簡便に、高品質な全ゲノム解析結果を得ることができる、ゲノム解析方法を提供することを課題とする。 Therefore, the objective of the present invention is to provide a genome analysis method that can more easily obtain high-quality whole genome analysis results.

本発明者らは、上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、以下の構成により上記課題を達成することができることを見出した。As a result of intensive research into achieving the above object, the inventors have discovered that the above object can be achieved by the following configuration.

[1] 細胞と、上記細胞で産生され、上記細胞外に放出された膜小胞と、を含む懸濁液から、上記細胞と上記膜小胞とを分離し、上記細胞を含む第1試料と、上記膜小胞を含む第2試料とを調製することと、上記第1試料に含まれる上記細胞に由来する塩基配列である、第1塩基配列を決定することと、上記第2試料に含まれる上記膜小胞に由来する塩基配列である、第2塩基配列を決定することと、上記第2塩基配列を用いて、上記第1塩基配列を補完することと、を含む、ゲノム解析方法。
[2] 上記第1塩基配列の決定が、上記第1試料の単一細胞解析によって行われる、[1]に記載のゲノム解析方法。
[3] 上記第1塩基配列の決定が、上記第1試料のメタゲノム解析によって行われる、[1]に記載のゲノム解析方法。
[4] 上記第2塩基配列を決定することが、上記第2試料を用い、上記膜小胞の1個体ずつを液滴中に封入することと、上記液滴をゲル化してゲルカプセルを生成することと、上記ゲルカプセルを溶解試薬と接触させて、上記膜小胞を溶解させ、上記膜小胞中のポリヌクレオチドが上記ゲルカプセルに溶出し、上記ゲルカプセル内に保持させることと、上記ポリヌクレオチドを増幅試薬に接触させて、上記ポリヌクレオチドを上記ゲルカプセル内で増幅することと、上記増幅したポリヌクレオチドから、上記膜小胞に由来する上記ポリヌクレオチドの塩基配列である第2塩基配列を決定することと、を含む、[1]~[3]のいずれかに記載のゲノム解析方法。
[5] 上記第2塩基配列を決定することが、更に、上記第2試料を核酸分解酵素で処理することを含む、[4]に記載のゲノム解析方法。
[6] 上記第2塩基配列を決定することが、上記処理を経た上記第2試料と、上記処理を経ない上記第2試料のそれぞれを用いて行われる、[5]に記載のゲノム解析方法。
[7] 上記補完することが、上記第2塩基配列を上記第1塩基配列の断片として用いることである、[1]~[6]のいずれかに記載のゲノム解析方法。
[8] 上記補完することが、上記第1塩基配列のカバー率を向上させることである、[1]~[7]のいずれかに記載のゲノム解析方法。
[9] 上記懸濁液が、ヒト又は動物から採取した、糞便、唾液、喀痰、手術洗浄液、血液、並びに、皮膚又は身体粘膜の拭い液、及び、スワブからなる群より選択される少なくとも1種の採取試料である、[1]~[8]のいずれかに記載のゲノム解析方法。
[10] 上記細胞が、細菌である、[1]~[9]のいずれかに記載のゲノム解析方法。
[11] 上記細菌が、ポルフィロモナス属、プレボテラ属、ベイヨネラ属、フソバクテリウム属、パルビモナス属、アグリゲイティバクター属、アクチノマイセス属、アクチノバチルス属、バクテロイデス属、タンネレラ属、トレポネーマ属、カンピロバクター属、エイケネラ属、及び、カプノサイトファーガ属からなる群より選択される少なくとも1種の細菌である、[10]に記載のゲノム解析方法。
[1] A genome analysis method comprising: separating cells and membrane vesicles produced by the cells and released outside the cells from a suspension containing the cells and the membrane vesicles, and preparing a first sample containing the cells and a second sample containing the membrane vesicles; determining a first base sequence that is a base sequence derived from the cells contained in the first sample; determining a second base sequence that is a base sequence derived from the membrane vesicles contained in the second sample; and complementing the first base sequence using the second base sequence.
[2] The genome analysis method according to [1], wherein the first base sequence is determined by single-cell analysis of the first sample.
[3] The genome analysis method according to [1], wherein the first base sequence is determined by metagenomic analysis of the first sample.
[4] The method of any one of [1] to [3], wherein determining the second base sequence includes using the second sample to encapsulate each of the membrane vesicles in a droplet, gelling the droplet to generate a gel capsule, contacting the gel capsule with a dissolution reagent to dissolve the membrane vesicles, and the polynucleotide in the membrane vesicle is eluted into the gel capsule and retained in the gel capsule, contacting the polynucleotide with an amplification reagent to amplify the polynucleotide in the gel capsule, and determining a second base sequence, which is the base sequence of the polynucleotide derived from the membrane vesicle, from the amplified polynucleotide.
[5] The genome analysis method according to [4], wherein determining the second base sequence further comprises treating the second sample with a nuclease.
[6] The genome analysis method according to [5], wherein determining the second base sequence is performed using each of the second sample that has been subjected to the treatment and the second sample that has not been subjected to the treatment.
[7] The genome analysis method according to any one of [1] to [6], wherein the complementation is using the second base sequence as a fragment of the first base sequence.
[8] The genome analysis method according to any one of [1] to [7], wherein the complementing is to improve the coverage of the first base sequence.
[9] The genome analysis method according to any one of [1] to [8], wherein the suspension is at least one sample selected from the group consisting of feces, saliva, sputum, surgical irrigation fluid, blood, and skin or body mucosa swabs collected from a human or animal.
[10] The genome analysis method according to any one of [1] to [9], wherein the cell is a bacterium.
[11] The genome analysis method according to [10], wherein the bacterium is at least one bacterium selected from the group consisting of the genera Porphyromonas, Prevotella, Veillonella, Fusobacterium, Parvimonas, Aggregatibacter, Actinomyces, Actinobacillus, Bacteroides, Tannerella, Treponema, Campylobacter, Eikenella, and Capnocytophaga.

本発明によれば、より簡便に、高品質な全ゲノム解析結果を得ることができる、ゲノム解析方法が提供できる。 The present invention provides a genome analysis method that can more easily obtain high-quality whole genome analysis results.

本発明の実施形態に係るゲノム解析方法のフロー図である。FIG. 1 is a flow diagram of a genome analysis method according to an embodiment of the present invention. 単一細胞解析による第1塩基配列の決定方法のフロー図である。FIG. 2 is a flow diagram of a method for determining a first base sequence by single-cell analysis. 単一細胞解析に用いることができるフローセルの模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a flow cell that can be used for single cell analysis. 本発明の他の実施形態に係るゲノム解析方法のフロー図である。FIG. 11 is a flow diagram of a genome analysis method according to another embodiment of the present invention. 唾液から採取した、膜小胞サンプル、及び、細菌サンプルのそれぞれにおけるAlphaproteobacteria bacterium 41-28(Alphaproteobacteria 41-28)由来と判断された粒子の割合(Detected percentage)を表す図である。FIG. 1 shows the percentage of particles determined to be derived from Alphaproteobacteria bacterium 41-28 (Alphaproteobacteria 41-28) (Detected percentage) in each of a membrane vesicle sample and a bacterial sample collected from saliva. 上記各サンプルにおけるTM7x由来と判断された粒子の割合を表す図である。FIG. 13 shows the ratio of particles determined to be derived from TM7x in each of the above samples. 膜小胞サンプル(Healthy)から得られた粒子(MV)のうち、Alphaproteobacteria 41-28由来と判断された粒子(52粒子分)の配列を、Alphaproteobacteria 41-28のゲノムDNAにマップした結果を表す図である。FIG. 1 shows the results of mapping the sequences of particles (52 particles) determined to be derived from Alphaproteobacteria 41-28 among particles (MV) obtained from a membrane vesicle sample (Healthy) to the genomic DNA of Alphaproteobacteria 41-28. 膜小胞サンプル(Patient)から得られた粒子(MV)のうち、TM7x由来と判断された粒子(86粒子)の配列を、TM7xのゲノムDNAにマップした結果を表す図である。FIG. 1 shows the results of mapping the sequences of particles (86 particles) determined to be derived from TM7x among particles (MV) obtained from a membrane vesicle sample (Patient) to the genomic DNA of TM7x. 膜小胞サンプルから得られた配列によって構築された各微生物のゲノムDNA長の割合を表す図である。FIG. 1 shows the percentage of genomic DNA length for each microorganism assembled from sequences obtained from membrane vesicle samples.

以下、本発明について詳細に説明する。
以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施形態に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に制限されるものではない。
なお、本明細書において、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値、及び、上限値として含む範囲を意味する。
The present invention will be described in detail below.
The following description of the components may be based on a representative embodiment of the present invention, but the present invention is not limited to such an embodiment.
In this specification, a numerical range expressed using "to" means a range that includes the numerical values before and after "to" as the lower limit and upper limit.

(用語の定義)
本明細書において、「ポリヌクレオチド」は、リボヌクレオチド、又は、デオキシリボヌクレオチドのいずれかの、任意の長さのヌクレオチドのポリマー形態を指す。この用語は上記分子の一次構造のみを指す。したがって、この用語は二本鎖と一本鎖のDNA、及び、RNAを含む。
(Definition of terms)
As used herein, "polynucleotide" refers to a polymeric form of nucleotides of any length, either ribonucleotides or deoxyribonucleotides. The term refers only to the primary structure of the molecule. Thus, the term includes double- and single-stranded DNA, and RNA.

本明細書において、「単一細胞解析」とは、「シングルセル解析」と同義であり、複数種類、及び/又は、複数個の細胞が含まれる検体(試料)から、一細胞を分取しゲノム解析する方法を意味する。
単一細胞解析は、例えば、平面上に配列した多数のマイクロウェルのそれぞれに細胞を一つずつ分取し、その細胞の個々について、ゲノム解析を行う方法である。単一細胞解析には、例えば、特許文献1に記載された装置、国際公開第2017/094101号に記載された装置、及び、国際公開第2016/038670号に記載された装置等のような公知の装置、及び/又は、方法を使用するものが挙げられる。
In this specification, "single cell analysis" is synonymous with "single cell analysis" and refers to a method of isolating and genomic analyzing a single cell from a specimen (sample) containing multiple types and/or multiple cells.
Single cell analysis is a method of, for example, sorting cells into each of a number of microwells arranged on a plane and performing genome analysis on each of the cells. Examples of single cell analysis include those using known devices and/or methods such as the device described in Patent Document 1, the device described in International Publication No. 2017/094101, and the device described in International Publication No. 2016/038670.

また、本明細書において、「単一粒子解析」とは、細胞由来の粒子(細胞自体を除く)を分取し、一粒子毎にゲノム解析する方法を意味する。単一粒子解析の方法としては、上記「単一細胞解析」と同様の方法が使用できる。In addition, in this specification, "single particle analysis" refers to a method of separating cell-derived particles (excluding the cells themselves) and analyzing the genome of each particle. As a method for single particle analysis, the same method as the above-mentioned "single cell analysis" can be used.

本明細書における、「膜小胞」には、細菌等により産生される外膜小胞、動物細胞等により、エンドサイトーシス経路により産生、放出される「エクソソーム」、及び、アポトーシスによって生ずる「アポトーシス小体」も含まれるものとし、なかでも、膜小胞としては、外膜小胞(OMV)が好ましい。In this specification, "membrane vesicles" include outer membrane vesicles produced by bacteria, etc., "exosomes" produced and released by animal cells, etc. via the endocytosis pathway, and "apoptotic bodies" generated by apoptosis. Of these, outer membrane vesicles (OMVs) are preferred as membrane vesicles.

細菌により産生される(「細菌に由来する」、又は、「細菌の」ということがある)膜小胞としては、細菌の細胞膜の一部が菌体外にくびり取られるようにして産生されたマイクロベシクルである「外膜小胞(OMV;outer membrane vesicle)」が挙げられ、その大きさは、特に制限されないが、10~1000nmである場合が多く、グラム陰性細菌では10~300nmであることが多く、グラム陽性細菌では50~150nmであることが多い。Membrane vesicles produced by bacteria (sometimes referred to as "derived from bacteria" or "bacterial") include "outer membrane vesicles (OMVs)," which are microvesicles produced when part of the bacterial cell membrane is constricted outside the bacterial body; their size is not particularly limited, but is often 10-1000 nm, often 10-300 nm in gram-negative bacteria, and often 50-150 nm in gram-positive bacteria.

[ゲノム解析方法]
以下では、本発明のゲノム解析方法について詳述する。なお、本発明のゲノム解析方法は、細胞と、上記細胞で産生され、上記細胞外に放出された膜小胞を含む懸濁液を用いるものであり、上記「細胞」は、多細胞生物のもの、及び、単細胞生物のもののいずれも含まれる。以下の説明では、そのうち、細胞が細菌である場合を例に説明する。なお、以下の方法は、動物細胞等にも同様に適用可能である。
[Genome analysis method]
The genome analysis method of the present invention will be described in detail below. The genome analysis method of the present invention uses a suspension containing cells and membrane vesicles produced by the cells and released outside the cells, and the "cells" include both those of multicellular organisms and those of unicellular organisms. In the following explanation, the case where the cells are bacteria will be described as an example. The following method can also be applied to animal cells, etc.

図1は、本発明の実施形態に係るゲノム解析方法(以下「本方法」ともいう。)のフローチャートである。
本方法は、細菌と、上記細菌で産生され、上記細菌外に放出された膜小胞を含む懸濁液から、上記細菌と上記膜小胞とを分離し、上記細菌を含む第1試料と、上記膜小胞を含む第2試料とを調製すること(試料調製工程、ステップS101)と、
第1試料に含まれる上記細菌に由来する塩基配列である、第1塩基配列を決定すること(第1塩基配列決定工程、ステップS102)と、
第2試料に含まれる上記膜小胞に由来する塩基配列である、第2塩基配列を決定すること(第2塩基配列決定工程、S103)と、
第2塩基配列を用いて、第1塩基配列を補完すること(補完工程、S104)と、を含むゲノム解析方法である。
FIG. 1 is a flowchart of a genome analysis method according to an embodiment of the present invention (hereinafter also referred to as "the method").
This method includes separating the bacteria and the membrane vesicles from a suspension containing the bacteria and membrane vesicles produced by the bacteria and released outside the bacteria, and preparing a first sample containing the bacteria and a second sample containing the membrane vesicles (sample preparation step, step S101);
determining a first base sequence, which is a base sequence derived from the bacterium contained in the first sample (first base sequence determining step, step S102);
Determining a second base sequence, which is a base sequence derived from the membrane vesicles contained in a second sample (second base sequence determination step, S103);
and complementing the first base sequence with the second base sequence (complementing step, S104).

・試料調製工程(ステップS101)
ステップS101は、細菌と膜小胞とを含む懸濁液から、細菌と膜小胞とを分離し、細菌を含む第1試料と、膜小胞を含む第2試料と、を調製する工程である。
Sample preparation process (step S101)
Step S101 is a process of separating bacteria and membrane vesicles from a suspension containing bacteria and membrane vesicles, and preparing a first sample containing bacteria and a second sample containing membrane vesicles.

本工程で使用される懸濁液は、細菌と膜小胞とを含む。すなわち、懸濁液には、膜小胞と、その膜小胞を産生した細菌とが含まれている。この細菌は培養された単一の細菌株であってもよいし、複数種の細菌であってもよい(このうちの1種以上が難培養性細菌であってもよい)。The suspension used in this process contains bacteria and membrane vesicles. That is, the suspension contains membrane vesicles and the bacteria that produced the membrane vesicles. The bacteria may be a cultured single bacterial strain, or multiple species of bacteria (one or more of which may be difficult-to-culture bacteria).

懸濁液としては、例えば、ヒト又は動物から採取した、糞便、唾液、喀痰、手術洗浄液、血液、皮膚・身体粘膜の拭い液、及び、スワブ等の採取試料であってもよい。一般に、採取試料中には、細菌群と、それに含まれる細菌により産生された膜小胞とが含まれる場合がある。
このような採取試料から細菌群と膜小胞とを分離して、ぞれぞれを、第1試料と第2試料とにすればよい。
The suspension may be, for example, a sample collected from a human or animal, such as feces, saliva, sputum, surgical irrigation fluid, blood, skin or body mucous membrane wipes, swabs, etc. In general, the sample may contain bacteria and membrane vesicles produced by the bacteria contained therein.
The bacteria group and the membrane vesicles may be separated from such a collected sample to provide a first sample and a second sample, respectively.

懸濁液に含まれる細菌としては特に制限されないが、真正細菌、大腸菌、枯草菌、藍色細菌、球菌、桿菌、ラセン菌、グラム陰性菌、グラム陽性菌、古細菌、及び、真菌等が挙げられる。細菌としては、例えば、Negibacteria、Eobacteria、Deinococci、Deinococci、Deinococcales、Thermales、Chloroflexi、Anaerolineae、Anaerolineales、Caldilineae、Chloroflexales、Herpetosiphonales、Thermomicrobia、Thermomicrobiales、Sphaerobacterales、Ktedonobacteria、Ktedonobacterales、Thermogemmatisporales、Glycobacteria、Cyanobacteria、Gloeobacterophyceae、Gloeobacterales、Nostocophyceae、Synechococcophycidae、Synechococcales、Nostocophycidae、Chroococcales、Oscillatoriales、Nostocales、Pseudanabaenales、Spirochaetes、Spirochaetes、Spirochaetales、Fibrobacteres、Fibrobacteria、Gemmatimonadetes、Gemmatimonadetes、Gemmatimonadales、Chlorobi、Chlorobea、Chlorobiales、Ignavibacteria、Ignavibacteriales、Bacteroidetes、Bacteroidia、Bacteroidales、Flavobacteriia、Flavobacteriales、Sphingobacteriia、Sphingobacteriales、Cytophagia、Cytophagales、Planctomycetes、Planctomycea、Planctomycetales、Phycisphaerae、Phycisphaerales、Chlamydiae、Chlamydiae、Chlamydiales、Verrucomicrobia、Verrucomicrobiae、Verrucomicrobiales、Opitutae、Opitutales、Puniceicoccales、Spartobacteria、Chthoniobacterales、Lentisphaerae、Lentisphaeria、Lentisphaerales、Victivallales、Proteobacteria、Alphaproteobacteria、Rhodospirillales、Rickettsiales、Rhodobacterales、Sphingomonadales、Caulobacterales、Rhizobiales、Parvularculales、Kordiimonadales、Sneathiellales、Kiloniellales、Betaproteobacteria、Burkholderiales、Hydrogenophilales、Methylophilales、Neisseriales、Nitrosomonadales、Rhodocyclales、Procabacteriales、Gammaproteobacteria、Chromatiales、Acidithiobacillales、Xanthomonadales、Cardiobacteriales、Thiotrichales、Legionellales、Methylococcales、Oceanospirillales、Pseudomonadales、Alteromonadales、Vibrionales、Aeromonadales、Enterobacteriales、Pasteurellales、Deltaproteobacteria、Desulfurellales、Desulfovibrionales、Desulfobacterales、Desulfarculales、Desulfuromonadales、Syntrophobacterales、Bdellovibrionales、Myxococcales、Epsilonproteobacteria、Campylobacterales、Nautiliales、Acidobacteria、Acidobacteria、Acidobacteriales、Holophagae、Holophagales、Acanthopleuribacterales、Aquificae、Aquificae、Aquificales、Deferribacteres、Deferribacteres、Geovibriales、Thermodesulfobacteria、Thermodesulfobacteria、Thermodesulfobacteriales、Nitrospirae、Nitrospira、Nitrospirales、Fusobacteria、Fusobacteriia、Fusobacteriales、Synergistetes、Synergistia、Synergistales、Caldiserica、Caldisericia、Caldisericales、Elusimicrobia、Elusimicrobia、Elusimicrobiales、Armatimonadetes、Armatimonadia、Armatimonadales、Chthonomonadetes、Chthonomonadales、Fimbriimonadia、Fimbriimonadales、Posibacteria、Thermotogae、Thermotogae、Thermotagales、Firmicutes、Bacilli、Bacillales、Lactobacillales、Clostridia、Clostridiales、Halanaerobiales、Thermoanaerobacterales、Natranaerobiales、Negativicutes、Selenomonadales、Erysipelotrichia、Erysipelotrichales、Thermolithobacteria、Thermolithobacterales、Tenericutes、Mollicutes、Mycoplasmatales、Entomoplasmatales、Acholeplasmatales、Anaeroplasmatales、Actinobacteria、Actinobacteria、Actinomycetales、Actinopolysporales、Bifidobacteriales、Catenulisporales、Corynebacteriales、Frankiales、Glycomycetales、Jiangellales、Kineosporiales、Micrococcales、Micromonosporales、Propionibacteriales、Pseudonocardiales、Streptomycetales、Streptosporangiales、Dictyoglomi、Dictyoglomia、Dictyoglomales、Chrysiogenetes、Chrysiogenetes、Chrysiogenales、Haloplasmatales等が挙げられる。The bacteria contained in the suspension are not particularly limited, but include eubacteria, Escherichia coli, Bacillus subtilis, cyanobacteria, cocci, bacilli, spiral bacteria, gram-negative bacteria, gram-positive bacteria, archaea, and fungi. Examples of bacteria include Neibacteria, Eobacteria, Deinococci, Deinococci, Deinococcales, Thermales, Chloroflexi, Anaerolineae, Anaerolineals, Caldilineae, Chloroflexales, Herpetosiphonales, Thermomicrobia, Thermomicrobiale. s, Sphaerobacteriales, Ktedonobacteria, Ktedonobacteriales, Thermogemmatisporales, Glycobacteria, Cyanobacteria, Gloeobacterophyceae, Gloeobacteriales, Nostoc Ophycidae, Chroococcales, Oscillatoryes, Nostocales, Pseudobaenales, Spirochaetes, Spirochaetes, Spirochaetes, Fibrobacteres, Fibrobacteria, Gemmatimonadetes, Gemmatimonadetes, Gemmatimonadales, Chlorobi, Chlorobea, Chlorobiales, Ignavibacteria, Ignavibacteriales, Bacteroidetes, Bacteroidia, Bacteroidales, Flavobacteria, Flavobacteriales, Sphingobacteria, Sphingobacteriales, Cytophagia, Cytophagales, Planctomyc etes, Planctomycea, Planctomycetales, Phycisphaerae, Phycisphaerales, Chlamydiae, Chlamydiae, Chlamydiales, Verrucomicrobia, Verrucomicrobiae, Verrucomicrobiales, Opitutae, Opitutales, Punicicoccales, Spartobac teria, Chthoniobacteriales, Lentisphaerae, Lentisphaeria, Lentisphaerales, Victivallales, Proteobacteria, Alphaproteobacteria, Rhodospirillales, Rickettsiales, Rhodobacteriales, Sphingomonadales, Caulobacteriales, Rhizobiales, Parvulares, Kordiimonadales, Sneathiellales, Kiloniellales, Betaproteobacteria, Burkholderiales, Hydrogenophilales, Methylophilales, Neisseriales, Nitrosomonadales, Rhodocyclales, Procabacter iiales, Gammaproteobacteria, Chromatiales, Acidithiobacillales, Xanthomonadales, Cardiobacteriales, Thiotrichales, Legionellales, Methylococcales, Oceanospirillales, Pseudomonadales, Alteromonadales, Vibrionales , Aeromonadales, Enterobacteriales, Pasteurellales, Deltaproteobacteria, Desulfurellales, Desulfovibrionales, Desulfobacteriales, Desulfarculares, Desulfuromonadales, Syntrophobacteriales, Bdellovibrionales, Myx Occoccales, Epsilonproteobacteria, Campylobacteriales, Nautileales, Acidobacteria, Acidobacteria, Acidobacteria, Holophagae, Holophagales, Acanthopleuribacteriales, Aquificae, Aquificae, Aquificales, Deferribacter eres, Deferribacteres, Geovibriales, Thermodesulfobacteria, Thermodesulfobacteria, Thermodesulfobacteria, Nitrospirae, Nitrospira, Nitrospirales, Fusobacteria, Fusobacteria, Fusobacteriales, Synergistetes, Synergistia, Synergistales, Caldiserica, Caldiserica, Caldisericales, Elusimicrobia, Elusimicrobia, Elusimicrobiales, Armatimonadetes, Armatimonadia, Armatimonadales, Chthonomonadetes, Chthonomonadales, Fimbrii monadia, Fimbriimonadales, Posibacteria, Thermotogae, Thermotogae, Thermotagales, Firmicutes, Bacilli, Bacillales, Lactobacillales, Clostridia, Clostridiales, Halanaerobiales, Thermoanaerobacteriales, Natranaerob iales, Negativicutes, Selenomonadales, Erysipelotrichia, Erysipelotrichales, Thermolithobacteria, Thermolithobacterales, Tenericutes, Mollicutes, Mycoplasmatales, Entomoplasmatales, Acholeplasmatales, Anaeropla smatales, Actinobacteria, Actinobacteria, Actinomycetales, Actinopolysporales, Bifidobacteriales, Catenulisporales, Corynebacteriales, Frankiales, Glycomycetales, Jiangellales, Kineosporiales, Micrococcal ... Examples of such species include romnosporales, Propionibacteriales, Pseudonocardiales, Streptomycetales, Streptosporangiales, Dictyoglomi, Dictyoglomia, Dictyoglomales, Chrysiogenetes, Chrysiogenetes, Chrysiogenenes, and Haloplasmatales.

また、細菌は歯周病菌(歯周病の原因菌)が好ましい。歯周病菌としては、例えばポルフィロモナス(Porphyromonas)属、プレボテラ(Prevotella)属、ベイヨネラ(Veillonella)属、フソバクテリウム(Fusobacterium)属、パルビモナス(Parvimonas)属、アグリゲイティバクター(Aggregatibacter)属、アクチノマイセス(Actinomyces)属、アクチノバチルス(Actinobacillus)属、バクテロイデス(Bacteriorides)属、タンネレラ(Tannerella)属、トレポネーマ(Treponema)属、カンピロバクター(Campylobactar)属、エイケネラ(Eikenella)属、及び、カプノサイトファーガ(Capnocytophaga)属等が挙げられる。In addition, the bacteria is preferably periodontal disease bacteria (bacteria that cause periodontal disease). Examples of periodontal disease bacteria include bacteria of the genus Porphyromonas, Prevotella, Veillonella, Fusobacterium, Parvimonas, Aggregatibacter, Actinomyces, etc. Examples of the genera include the genera Actinobacillus, Bacteroides, Tannerella, Treponema, Campylobacter, Eikenella, and Capnocytophaga.

より具体的には、ポルフィロモナス・ジンジバリス(Porphyromonas gingivalis)又はバクテロイデス・ジンジバリス(Bacteriorides gingivalis)、プレボテラ・インターメディア(Prevotella intermedia)、ベイヨネラ・パルブーラ(Veillonella parvula)、フソバクテリウム・ヌクレアタム(Fusobacterium nucleatum)、パルビモナス・ミクラ(Parvimonas micra)、アグリゲイティバクター・アクチノミセテムコミタンス(Aggregatibacter actinomycetemcomitans)又はアクチノバチルス・アクチノミセテムコミタンス(Actinobacillus actinomycetemcomitans)、アクチノマイセス・ネスランディ(Actinomyces naeslundii)、タンネレラ・フォーサイセンシス(Tannerella forsythensis)、トレポネーマ・デンティコラ(Treponema denticola)、カンピロバクター・レクタス(Campylobactar rectus)、エイケネラ・コローデンス(Eikenella corrodens)、及び、カプノサイトファーガ・オクラセア(Capnocytophaga ochracea)等が挙げられる。More specifically, Porphyromonas gingivalis or Bacteroides gingivalis, Prevotella intermedia, Veillonella parvula, Fusobacterium nucleatum, Parvimonas micra, Aggregatibacter actinomycetemcomitans, actinomycetemcomitans or Actinobacillus actinomycetemcomitans, Actinomyces naeslundii, Tannerella forsythensis, Treponema denticola, Campylobacter rectus, Eikenella corrodens, and Capnocytophaga ochracea.

なかでも、細菌としては、「レッドコンプレックス」と呼ばれる、ポルフィロモナス・ジンジバリス(Porphyromonas gingivalis)、トレポネーマ・デンティコラ(Treponema denticola)、及び、アグリゲイティバクター・アクチノミセテムコミタンス(Aggregatibacter actinomycetemcomitans)からなる群より選択される少なくとも1種の細菌が好ましい。Among them, the bacteria is preferably at least one type selected from the group consisting of Porphyromonas gingivalis, Treponema denticola, and Aggregatibacter actinomycetemcomitans, which are known as the "red complex."

懸濁液中の細菌と膜小胞とを分離する方法としては特に制限されず、公知の方法が使用できる。例えば、単一の細胞株の液体培養液であれば、膜小胞は培養上清に含まれているため、遠心分離によって、培養液から菌体を取り除き、これを第1試料とし、上清を第2試料とすればよい。細菌株を固体培養した場合には、コロニーを緩衝液中に懸濁して、同様の方法で分離できる。There are no particular limitations on the method for separating the bacteria and membrane vesicles in the suspension, and any known method can be used. For example, in the case of a liquid culture of a single cell line, the membrane vesicles are contained in the culture supernatant, so the bacterial cells can be removed from the culture liquid by centrifugation and used as the first sample, and the supernatant can be used as the second sample. When the bacterial strain is cultured on a solid state, the colonies can be suspended in a buffer solution and separated in a similar manner.

分離した遠心上清をメンブランフィルター(例えば、孔径0.1~0.9μm)を用いてろ過すれば、遠心上清に残留する菌体を容易に分離することができる。
遠心上清には、菌体以外にもタンパク質等の夾雑物質が含まれている場合があるので、例えば、100~200kDaカットオフフィルタで濃縮した後、超遠心によって膜小胞を沈殿させて回収する方法も使用できる。
If the separated centrifugal supernatant is filtered using a membrane filter (for example, pore size 0.1 to 0.9 μm), the bacteria remaining in the centrifugal supernatant can be easily separated.
Since the centrifugal supernatant may contain impurities such as proteins in addition to the bacterial cells, for example, a method can be used in which the supernatant is concentrated using a 100 to 200 kDa cutoff filter, and then the membrane vesicles are precipitated and collected by ultracentrifugation.

また、このようにして得られた沈殿物には、細菌由来の構造体(例えば、せん毛、及び、べん毛等)が含まれていることがあり、これらを除去するために、例えば、スクロース等を用いた密度勾配遠心法を用いて、更に精製する方法を用いてもよい。In addition, the precipitate obtained in this manner may contain bacterial structures (e.g., ciliata and flagella, etc.), and in order to remove these, further purification may be performed using, for example, density gradient centrifugation using sucrose, etc.

上記処理を含む試料の調製方法をより具体的に説明する。
まず、所定の条件で所望の増殖相が達成されたら、培養液を容量が1~100mL(例えば50mL)の遠心管に入れ、3000~9000rpm(例えば7000rpm)、1~20℃(例えば4℃)で、1~30分間(例えば、10分間)遠心する。
The sample preparation method including the above treatment will now be described in more detail.
First, when a desired growth phase is achieved under predetermined conditions, the culture medium is placed in a centrifuge tube with a volume of 1 to 100 mL (e.g., 50 mL) and centrifuged at 3000 to 9000 rpm (e.g., 7000 rpm) at 1 to 20°C (e.g., 4°C) for 1 to 30 minutes (e.g., 10 minutes).

上清と沈殿物とに分離できたら沈殿物には菌体が含まれているため、これを分離し(第1試料とし)、上清を0.1~0.9μm(例えば、0.22μm)のフィルターに通し、別の遠心管に収容し、1~10℃(例えば、4℃)で保存する。Once the supernatant and precipitate have been separated, the precipitate contains the bacterial cells, so separate this (the first sample), pass the supernatant through a 0.1 to 0.9 μm (e.g., 0.22 μm) filter, place in a separate centrifuge tube, and store at 1 to 10°C (e.g., 4°C).

次に、上清を超遠心チューブに加え、例えば、遠心力として150,000~300,000×g(例えば、210,000×g)で、1~10℃(例えば、4℃)で1~3時間(例えば、2時間)超遠心する。超遠心後、上清を破棄し、沈殿した外膜小胞(OMV)を緩衝液(例えば、pH7.4のPBSバッファー)に再懸濁し、1~10℃(例えば、4℃)で保存する。更に、この超遠心の工程を複数回繰り返してもよい。Next, the supernatant is added to an ultracentrifuge tube and ultracentrifuged, for example, at a centrifugal force of 150,000 to 300,000 x g (e.g., 210,000 x g) at 1 to 10°C (e.g., 4°C) for 1 to 3 hours (e.g., 2 hours). After ultracentrifugation, the supernatant is discarded and the precipitated outer membrane vesicles (OMVs) are resuspended in a buffer solution (e.g., PBS buffer at pH 7.4) and stored at 1 to 10°C (e.g., 4°C). Furthermore, this ultracentrifugation process may be repeated multiple times.

なお、第2試料の単位量あたりに含まれる膜小胞の数(濃度)を調整するために、得られた液を希釈してもよい。このようにすると、後述する単一粒子解析において、1個体ずつの膜小胞を分離取得しやすくなる。The obtained liquid may be diluted to adjust the number (concentration) of membrane vesicles contained per unit amount of the second sample. This makes it easier to separate and obtain individual membrane vesicles in the single particle analysis described below.

希釈の方法としては特に制限されないが、例えば、膜小胞の濃度を動的光散乱法等により液中の膜小胞の濃度を観察しながら、適当な濃度に希釈する方法が挙げられる。
膜小胞の濃度の観察方法としては、粒子にレーザを照射し、その散乱光から各粒子のブラウン運動を追跡し(トラッキング法)、その拡散速度から、Stokes-Einsteinの式に基づき粒子の径と個数とを計算する方法が好ましい。
The method of dilution is not particularly limited, and examples thereof include a method in which the concentration of membrane vesicles in a liquid is monitored by dynamic light scattering or the like while diluting the liquid to an appropriate concentration.
A preferred method for observing the concentration of membrane vesicles is to irradiate the particles with a laser, track the Brownian motion of each particle from the scattered light (tracking method), and calculate the particle diameter and number from the diffusion speed based on the Stokes-Einstein equation.

<第1塩基配列決定工程(ステップS102)>
第1試料には、1種又は複数種の細菌が含まれており、本工程は、これ(ら)に由来するゲノム配列である第1塩基配列を決定する工程である。
第1塩基配列の決定方法としては、例えば、16SリボソームRNA解析、メタゲノム解析、及び、単一細胞解析等が挙げられ、いずれも公知の技術が特に制限なく適用可能である。なかでも、個々の細菌のより正確なゲノム配列が得られやすい点で、単一細胞解析が好ましい。
<First base sequence determination step (step S102)>
The first sample contains one or more types of bacteria, and this step is a step of determining a first base sequence, which is a genomic sequence derived from the bacteria(s).
Methods for determining the first base sequence include, for example, 16S ribosomal RNA analysis, metagenomics analysis, and single-cell analysis, and any known technique can be applied without particular limitation. Among these, single-cell analysis is preferred because it is easier to obtain a more accurate genome sequence of an individual bacterium.

本工程における第1塩基配列の決定を単一細胞解析で行う場合、その方法としては特に制限されないが、以下の各工程を含む単一細胞解析が好ましい。When the first base sequence in this process is determined by single-cell analysis, the method is not particularly limited, but single-cell analysis including the following steps is preferred.

・第1試料に含まれる細菌の1個体ずつを液滴中に封入すること(封入工程)
・液滴をゲル化してゲルカプセルを生成すること(ゲル化工程)
・ゲルカプセルを溶解試薬と接触させて、細菌を溶解させ、ポリヌクレオチドを溶出させ、ゲルカプセル内に保持すること(溶解工程)
・ゲルカプセル内の夾雑物質を除去すること(精製工程)
・ポリヌクレオチドを増幅試薬に接触させてポリヌクレオチドをゲルカプセル内で増幅させること(増幅工程)
・増幅したポリヌクレオチドから、第1塩基配列を決定すること(シークエンス工程)
Encapsulating each individual bacterium contained in the first sample in a droplet (encapsulation process)
- Gelling the droplets to produce gel capsules (gelling process)
Contacting the gel capsule with a lysis reagent to lyse the bacteria and elute the polynucleotides, which are retained within the gel capsule (lysis step);
・Removing impurities from the gel capsule (purification process)
- Contacting the polynucleotide with an amplification reagent to amplify the polynucleotide within the gel capsule (amplification step);
- Determining a first base sequence from the amplified polynucleotide (sequencing step)

図2は、上記各工程を含む単一細胞解析のフローである。図1のステップS102で表される「第1塩基配列決定工程」は、図2の単一細胞解析を含むことが好ましい。 Figure 2 is a flow chart of single-cell analysis including each of the above steps. It is preferable that the "first base sequence determination step" represented by step S102 in Figure 1 includes the single-cell analysis of Figure 2.

・封入工程(ステップS201)
ステップS201は、細菌の1個体ずつを液滴中に封入する工程である。封入工程で用いられる第1試料は、細菌を含む。試料に含まれる細菌は、1種でも2種以上でもよい。第1試料の細菌のうち少なくともいずれかは、懸濁液に含まれる膜小胞を産生し、菌体外に放出したものである。
Encapsulation process (step S201)
Step S201 is a process of encapsulating bacteria one by one in a droplet. The first sample used in the encapsulation process contains bacteria. The sample may contain one type or two or more types of bacteria. At least one of the bacteria in the first sample produces membrane vesicles contained in the suspension and releases them outside the bacterial body.

第1試料を用いて、第1試料に含まれる細菌の1個体ずつを液滴中に封入する方法としては特に制限されず、例えば、特許文献1等に記載された公知の方法が使用できる。There are no particular limitations on the method for encapsulating individual bacteria contained in the first sample into droplets using the first sample, and publicly known methods such as those described in Patent Document 1 can be used.

液滴の作製は、例えば、マイクロ流路を用いて行うことができる。上述した懸濁液をマイクロ流路中に流動させ、懸濁液の流れをせん断することにより、1個体ずつの細菌を封入した液滴を作製できる。せん断は、一定間隔で行うことができる。懸濁液のせん断の方法としては、例えば、オイルを用いればよい。オイルとしては、例えば、鉱物油、植物油、シリコーンオイル、及び、フッ素化オイル等が挙げられる。懸濁液中の細菌の量(濃度)、流路中の流速、せん断の間隔を調整し、当業者は、液滴あたり1個体の個体が封入されるように液滴作製を行うことが可能である。
液滴の直径は、1~250μmが好ましく、10~200μmがより好ましい。
The droplets can be produced, for example, using a microchannel. The above-mentioned suspension is caused to flow in a microchannel, and the flow of the suspension is sheared to produce droplets in which individual bacteria are encapsulated. The shearing can be performed at regular intervals. For example, oil can be used to shear the suspension. Examples of oil include mineral oil, vegetable oil, silicone oil, and fluorinated oil. By adjusting the amount (concentration) of bacteria in the suspension, the flow rate in the channel, and the shearing interval, a person skilled in the art can produce droplets in which one individual bacteria is encapsulated per droplet.
The diameter of the droplets is preferably from 1 to 250 μm, more preferably from 10 to 200 μm.

図3は、本工程で使用できるマイクロ流路の模式的な断面図である。マイクロ流路301は、液滴を作製し、液滴中に細菌の1個体ずつを封入することができるデバイスである。
マイクロ流路301は、2本の流路が略直交して形成された十字型の流路から構成されている。図面の、上から下方向に延びる流路には、細菌303を含む第1試料302が図面上から下に流れており、これと略直交する方向の流路には、図面の左右から中央に向けてオイル304が流れている。
3 is a schematic cross-sectional view of a microchannel that can be used in this process. The microchannel 301 is a device that can create droplets and encapsulate individual bacteria in the droplets.
The microchannel 301 is composed of a cross-shaped channel formed by two channels intersecting at approximately right angles. In the channel extending from top to bottom in the drawing, a first sample 302 containing bacteria 303 flows from top to bottom in the drawing, and in the channel extending in a direction approximately perpendicular to the first sample 302, oil 304 flows from the left and right to the center in the drawing.

この流路の直径としては特に制限されず、目的に応じて適宜選択されればよいが、一般に、10~60μmが好ましい。
細菌303を含む第1試料302は、図面の左右から中央に流れるオイル304により剪断を受け、細菌303を含む液滴305となる。
第1試料302中の細菌303の含有量を調整することで、液滴305に細菌303の1個体が封入されるよう、調整することができ、この場合、細菌303が封入されていない液滴306も生成される場合があってもよい。
The diameter of this flow path is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose, but generally, it is preferably 10 to 60 μm.
A first sample 302 containing bacteria 303 is sheared by oil 304 flowing from the left and right to the center of the drawing, and becomes droplets 305 containing bacteria 303 .
By adjusting the content of bacteria 303 in the first sample 302, it is possible to adjust so that a single bacterium 303 is encapsulated in the droplet 305, and in this case, it is also possible that a droplet 306 not encapsulating bacteria 303 may also be generated.

・ゲル化工程(ステップS202)
ステップS202は、液滴をゲル化してゲルカプセルを生成する工程である。ゲル化方法としては特に制限されない。液滴のゲル化は、液滴にゲルカプセルの材料が含まれるように構成し、作製した液滴を冷却することによって行うことができる。あるいは、液滴に対して光等の刺激を与えることによってゲル化を行うこともできる。液滴にゲルカプセルの材料が含まれるようにするには、例えば、第1試料にゲルカプセルの材料を含めておくことによって行うことができる。
Gelation process (step S202)
Step S202 is a process of gelling the droplets to generate gel capsules. There are no particular limitations on the gelling method. The droplets can be gelled by configuring the droplets to contain the material of the gel capsules and cooling the droplets thus prepared. Alternatively, gelling can be performed by applying a stimulus such as light to the droplets. To make the droplets contain the material of the gel capsules, for example, the first sample can contain the material of the gel capsules.

ゲルカプセルの直径としては、1~250μmが好ましく、10~200μmがより好ましい。ゲルカプセルの直径は、作製する液滴と同じであってもよいが、ゲル化に際して直径が変化してもよい。ゲル化の温度としては特に制限されないが、4~10℃が好ましい。The diameter of the gel capsule is preferably 1 to 250 μm, more preferably 10 to 200 μm. The diameter of the gel capsule may be the same as that of the droplets to be produced, but may change during gelation. The gelation temperature is not particularly limited, but is preferably 4 to 10°C.

ゲルカプセルの材料は、アガロース、アクリルアミド、光硬化性樹脂(例えば、PEG-DA)、PEG、ゼラチン、アルギン酸ナトリウム、マトリゲル、及び、コラーゲン等を含んでもよい。 Materials for the gel capsule may include agarose, acrylamide, photocurable resin (e.g., PEG-DA), PEG, gelatin, sodium alginate, Matrigel, and collagen, among others.

ゲルカプセルは、ヒドロゲルカプセルであってよい。「ヒドロゲル」とは、高分子物質またはコロイド粒子の網目構造によって保持されている溶媒あるいは分散媒が水であるものを意味する。The gel capsule may be a hydrogel capsule. By "hydrogel" is meant a water-based solvent or dispersion medium held together by a network of polymeric or colloidal particles.

・溶解工程(ステップS203)
ステップS203は、ゲルカプセルを溶解試薬と接触させて、細菌を溶解させ、ポリヌクレオチドを溶出させ、ゲルカプセル内に保持する工程である。細菌を溶解することで、細菌中のポリヌクレオチドがゲルカプセル内に溶出し、ポリヌクレオチドに結合する物質が除去された状態でゲルカプセル内に保持され得る。溶解試薬としては、酵素、界面活性剤、その他変性剤、還元剤、及び、pH調製剤、並びに、これらの組合せ等が使用できる。
Dissolving step (step S203)
Step S203 is a step of contacting the gel capsule with a lysis reagent to lyse the bacteria, elute the polynucleotide, and retain it in the gel capsule. By lysing the bacteria, the polynucleotide in the bacteria is eluted into the gel capsule, and the polynucleotide can be retained in the gel capsule in a state in which substances that bind to the polynucleotide have been removed. As the lysis reagent, an enzyme, a surfactant, other denaturants, a reducing agent, a pH adjuster, or a combination thereof can be used.

溶解試薬は、リゾチーム、ラビアーゼ、ヤタラーゼ、アクロモペプチダーゼ、プロテアーゼ、ヌクレアーゼ、ザイモリアーゼ、キチナーゼ、リソスタフィン、ムタノライシン、ドデシル硫酸ナトリウム、ラウリル硫酸ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、フェノール、クロロホルム、グアニジン塩酸塩、尿素、2-メルカプトエタノール、ジチオトレイトール、「TCEP-HCl」、コール酸ナトリウム、デオキシコール酸ナトリウム、「Triton X-100」、「Triton X-114」、「NP-40」、「Brij-35」、「Brij-58」、「Tween 20」、「Tween 80」、オクチルグルコシド、オクチルチオグルコシド、「CHAPS」、「CHAPSO」、ドデシル-β-D-マルトシド、「Nonidet P-40」、及び、「Zwittergent 3-12」等が挙げられる。
また、溶解試薬は、リゾチーム、アクロモペプチダーゼ、プロテアーゼ、ドデシル硫酸ナトリウム、及び、水酸化カリウム等を含むことが好ましい。
Lysis reagents include lysozyme, labiase, yatalase, achromopeptidase, protease, nuclease, zymolyase, chitinase, lysostaphin, mutanolysin, sodium dodecyl sulfate, sodium lauryl sulfate, potassium hydroxide, sodium hydroxide, phenol, chloroform, guanidine hydrochloride, urea, 2-mercaptoethanol, dithiothreitol, "TCEP-HCl", sodium cholate, sodium deoxycholate, "Triton X-100", "Triton X-114", "NP-40", "Brij-35", "Brij-58", "Tween 20", "Tween 80", octyl glucoside, octyl thioglucoside, "CHAPS", "CHAPSO", dodecyl-β-D-maltoside, "Nonidet P-40", and "Zwittergent 3-12" and others.
The lysis reagent preferably contains lysozyme, achromopeptidase, protease, sodium dodecyl sulfate, potassium hydroxide, and the like.

ゲルカプセルを溶解試薬と接触させる方法は特に制限されないが、例えば、容器(例えば、マイクロチューブ、及び、マイクロプレートの各ウェル)に保持されたゲルカプセルに対して溶解試薬を自動マイクロシリンジ等で吐出すればよい。自動マイクロシリンジは、典型的には、溶解試薬を流通する流路、及び、液体流通のためのポンプ、弁等から構成されていてよい。The method for contacting the gel capsule with the dissolution reagent is not particularly limited, but for example, the dissolution reagent may be discharged into the gel capsule held in a container (e.g., a microtube or each well of a microplate) using an automatic microsyringe or the like. The automatic microsyringe may typically be composed of a flow path for distributing the dissolution reagent, and a pump, a valve, etc. for liquid distribution.

・精製工程(ステップS204)
ステップS204は、ゲルカプセル内の夾雑物質を除去する工程である。本方法では、細菌の1個体を封入したゲルカプセルを用いるため、精製した遺伝物質(例えば、DNA)をゲルカプセル内に保持することができ、また、外部からの分子の夾雑の可能性を排除することができる。
Purification step (step S204)
Step S204 is a process of removing contaminants from within the gel capsule. In this method, since a gel capsule containing a single bacterium is used, the purified genetic material (e.g., DNA) can be retained within the gel capsule, and the possibility of contaminating molecules from outside can be eliminated.

また、操作面でも非常に簡単な操作で、1単位ごとの大量の細菌を並列処理することができる。ゲル化した液滴を含む試験管を遠心し、上清を除去し、洗浄液に置換するというステップを行うことができる。あるいは、ゲル化した液滴をフィルターでろ過し、上清を除去したのち、洗浄液を通液させ、最後にゲルカプセルを回収するというステップでも行うことができる。ゲルカプセルを用いることにより、遺伝物質を保持したまま、残留試薬を希薄化することができる。このステップは繰り返すことも可能である。阻害が出ないレベルにまで試薬を希薄化することで、下流の操作、例えば、増幅反応をスムーズに行うことができる。 In terms of operation, it is also very simple to process large amounts of bacteria in parallel, one unit at a time. The steps can be performed by centrifuging the test tube containing the gelled droplets, removing the supernatant, and replacing it with a washing solution. Alternatively, the steps can be performed by filtering the gelled droplets, removing the supernatant, passing a washing solution through them, and finally recovering the gel capsules. By using gel capsules, the remaining reagents can be diluted while retaining the genetic material. This step can also be repeated. By diluting the reagents to a level where no inhibition occurs, downstream operations, such as amplification reactions, can be performed smoothly.

溶解試薬が下流の反応の前に十分に除去されると、DNA増幅等の反応が阻害されにくい点で好ましい。ゲルカプセルを用いる場合、ゲルカプセルによって解析又は増幅の対象となる遺伝物質が保持されるため、遺伝物質が少量である細胞1つあたりの解析においても溶解試薬の除去を行うことができ、そのため、強力な溶解試薬または溶解試薬の組合せを用いることが可能である。
そして、強力な溶解試薬または溶解試薬の組合せを用いることは、より確実な核酸の増幅、及び、塩基配列の解析を可能にし得る。
It is preferable that the lysis reagent is sufficiently removed before the downstream reaction, since it is less likely to inhibit reactions such as DNA amplification. When using a gel capsule, the gel capsule retains the genetic material to be analyzed or amplified, so that removal of the lysis reagent can be performed even in the analysis of a single cell, which contains only a small amount of genetic material, and therefore a strong lysis reagent or combination of lysis reagents can be used.
Furthermore, the use of a strong lysis reagent or combination of lysis reagents may enable more reliable nucleic acid amplification and base sequence analysis.

・増幅工程(ステップS205)
ステップS205は、ポリヌクレオチドを増幅試薬に接触させてポリヌクレオチドをゲルカプセル内で増幅させる工程である。増幅試薬に浸漬した後、必要に応じて、ゲルカプセルの温度を調整してもよい。
Amplification step (step S205)
Step S205 is a step of contacting the polynucleotide with an amplification reagent to amplify the polynucleotide in the gel capsule. After immersion in the amplification reagent, the temperature of the gel capsule may be adjusted as necessary.

加熱は、ゲル(例えば、アガロースゲル)が溶解しにくい観点で、60℃以下が好ましい。この範囲内での加熱は、DNAの増幅をより促進する点で好ましい。
増幅に用いる酵素としては、例えば、phi29ポリメラーゼ、Bstポリメラーゼ、Aacポリメラーゼ、及び、リコンビナーゼポリメラーゼが挙げられる。
本方法では、ゲル内の全DNAの増幅を行うために、ランダムプライマーを用いることが好ましい。
Heating is preferably performed at 60° C. or less from the viewpoint of preventing the gel (e.g., agarose gel) from dissolving easily. Heating within this range is preferable from the viewpoint of further promoting DNA amplification.
Enzymes used for amplification include, for example, phi29 polymerase, Bst polymerase, Aac polymerase, and recombinase polymerase.
In this method, random primers are preferably used to achieve amplification of the total DNA in the gel.

・シークエンス工程(ステップS206)
ステップS206は、増幅したポリヌクレオチドから、第1塩基配列を決定する工程である。増幅したポリヌクレオチドからその塩基配列を決定する方法としては、ライブラリー調製、シークエンス、及び、アセンブリ等のいずれも市販の試薬キット、装置、及び、アプリケーションソフトウェア等を特に制限なく使用できる。
Sequencing process (step S206)
Step S206 is a step of determining a first base sequence from the amplified polynucleotide. The method of determining the base sequence from the amplified polynucleotide can be any method, such as library preparation, sequencing, assembly, etc., using commercially available reagent kits, devices, application software, etc., without particular limitation.

<第2塩基配列決定工程(ステップS103)>
図1に戻り、第2塩基配列決定工程(ステップS103)について説明する。本工程は、ステップS101で調製した第2試料を用いて、第2塩基配列を決定する工程である。
<Second base sequence determination step (step S103)>
1, the second base sequence determination step (step S103) will be described. This step is a step of determining a second base sequence using the second sample prepared in step S101.

本工程で使用する試料は、試料調製工程(ステップS101)で調製された第2試料であればよいが、上記試料を前処理して得られる処理済みの第2試料であってもよい。The sample used in this process may be the second sample prepared in the sample preparation process (step S101), but it may also be a treated second sample obtained by pretreating the above sample.

第2塩基配列の決定方法としては特に制限されず、メタゲノム解析でも、単一粒子解析でもよいが、必要な膜小胞の量がより少なくて済む観点では、単一粒子解析が好ましい。単一粒子解析の方法としては特に制限されず、ステップS102の第1塩基配列決定工程において第1試料を単一細胞解析する方法としてすでに説明したのと同様の方法が使用できる。The method for determining the second base sequence is not particularly limited, and may be metagenomic analysis or single particle analysis, but single particle analysis is preferred from the viewpoint of requiring a smaller amount of membrane vesicles. The method for single particle analysis is not particularly limited, and the same method as that already described as the method for single-cell analysis of the first sample in the first base sequence determination step of step S102 can be used.

ここで、本発明者は、膜小胞の表面には、核酸成分が付着している場合が多いことを知見している。この核酸成分は、例えば菌体が破裂した断片や共存する細菌由来等様々な由来を持つと推測される。Here, the inventors have found that nucleic acid components are often attached to the surface of membrane vesicles. These nucleic acid components are presumed to have various origins, such as fragments of ruptured bacterial cells or from coexisting bacteria.

本発明者は、膜小胞の表面に付着している核酸成分は、膜小胞を産生した細菌(以下、「宿主」ともいう。)に由来する可能性が高いことを知見している。
例えば、全ゲノムショットガン方式等、一般のメタゲノム解析では、試料に含まれる核酸成分を網羅的に分析することになるが、その場合、網羅的に分析される核酸成分のうち、特定の膜小胞を産生した細菌に由来する配列を得られる確率は非常に低い。
The present inventors have found that the nucleic acid components attached to the surface of membrane vesicles are highly likely to be derived from the bacteria (hereinafter also referred to as the "host") that produced the membrane vesicles.
For example, in general metagenomic analysis, such as the whole genome shotgun method, the nucleic acid components contained in a sample are comprehensively analyzed. In such cases, however, the probability of obtaining a sequence derived from the bacterium that produced a specific membrane vesicle among the nucleic acid components comprehensively analyzed is extremely low.

一方で、膜小胞の表面に付着している核酸成分は、例えば、その膜小胞の産生過程で付着した成分等であったりして、宿主に由来する可能性が高い。
すなわち、第1試料を網羅解析して得られる断片から、特定の膜小胞の宿主に由来する断片(ポリヌクレオチド)を得られる可能性は低いが、第2試料に含まれる核酸成分は、宿主に由来する断片である可能性がより高いと言える。
On the other hand, the nucleic acid components attached to the surface of the membrane vesicles are likely to be derived from the host, for example, as components attached during the production process of the membrane vesicles.
In other words, it is unlikely that fragments (polynucleotides) derived from a specific host of membrane vesicles will be obtained from fragments obtained by comprehensive analysis of the first sample, but it can be said that the nucleic acid components contained in the second sample are more likely to be fragments derived from the host.

このような第2試料を単一細胞解析すると、膜小胞に由来する配列と、宿主に由来する可能性の高い配列の両方を含む第2塩基配列が得られる。この配列を用いれば、膜小胞の配列だけを用いた場合によりもより長い塩基長で、第1塩基配列を補完することができる可能性が高い。Single-cell analysis of such a second sample will yield a second base sequence that contains both sequences derived from the membrane vesicles and sequences likely derived from the host. This sequence is likely to be able to complement the first base sequence with a longer base length than would be possible using only the membrane vesicle sequence.

第2試料を単一粒子解析する方法としては特に制限されないが、より高品質な第2塩基配列が得られる点で、図2で説明した単一細胞解析と同様の方法、すなわち、下記工程をこの順に含む単一粒子解析が好ましい。
・第2試料を用い、膜小胞の1個体ずつを液滴中に封入すること
・液滴をゲル化して、ゲルカプセルを生成すること
・ゲルカプセルを溶解試薬と接触させて、膜小胞を溶解させ、ポリヌクレオチドを溶出させ、ゲルカプセル内に保持すること
・ゲルカプセル内の夾雑物質を除去すること
・ポリヌクレオチドを増幅試薬と接触させて、ゲルカプセル内で増幅させること
・増幅したポリヌクレオチドから、第2塩基配列を決定すること
The method for performing single particle analysis of the second sample is not particularly limited, but a method similar to the single cell analysis described in FIG. 2, i.e., single particle analysis including the following steps in this order, is preferred, in that it allows obtaining a second base sequence of higher quality.
Using a second sample, encapsulating each of the membrane vesicles in a droplet; gelling the droplet to produce a gel capsule; contacting the gel capsule with a dissolution reagent to dissolve the membrane vesicles and elute the polynucleotides and retain them in the gel capsule; removing contaminants in the gel capsule; contacting the polynucleotides with an amplification reagent to amplify them in the gel capsule; and determining a second base sequence from the amplified polynucleotides.

<補完工程(ステップS104)>
ステップS104は、第2塩基配列を用いて、第1塩基配列を補完する工程である。補完とは、典型的には、第2塩基配列を断片として用いて、上記第1塩基配列のカバー率を向上させることが挙げられる。
<Complementation process (step S104)>
Step S104 is a step of complementing the first base sequence with the second base sequence. The complementing typically includes using the second base sequence as a fragment to improve the coverage rate of the first base sequence.

第2塩基配列は、膜小胞に由来する塩基配列と、膜小胞の表面に付着していた核酸成分に由来する塩基配列とを含んでいる。
第2塩基配列の一部が第1塩基配列にマップする場合、その第2塩基配列は、第1塩基配列の一部と考えられる。すなわち、第2塩基配列の膜小胞は、第1塩基配列の細菌により産生されたと考えられる。
The second base sequence contains a base sequence derived from the membrane vesicle and a base sequence derived from a nucleic acid component attached to the surface of the membrane vesicle.
If a portion of the second base sequence maps to the first base sequence, the second base sequence is considered to be a portion of the first base sequence, i.e., the membrane vesicle of the second base sequence is considered to have been produced by the bacterium of the first base sequence.

特に、第1塩基配列を図2に示すような単一細胞解析によって得た場合、その工程中には、ゲルカプセル内でポリヌクレオチドを増幅する工程が含まれている。従って、使用するプライマー同士が結合したり、キメラ配列が生成したりして本来増幅されるべき細菌に由来するポリヌクレオチド以外のヌクレオチドが増幅される場合がある。また、何らかの原因で増幅が不十分となり、結果として、得られるポリヌクレオチドによるカバー率が十分高まらない(例えば、40~80%程度になる)場合がある。このような場合には、本解析方法はより有用である。In particular, when the first base sequence is obtained by single-cell analysis as shown in Figure 2, the process includes a step of amplifying a polynucleotide in a gel capsule. Therefore, the primers used may bind to each other or a chimeric sequence may be generated, resulting in the amplification of nucleotides other than the polynucleotide derived from the bacterium that should be amplified. In addition, amplification may be insufficient for some reason, and as a result, the coverage rate of the obtained polynucleotides may not be sufficiently high (for example, about 40 to 80%). In such cases, the present analysis method is more useful.

また、補完としては、例えば、第1塩基配列の取得をメタゲノム解析で実施した場合に得られるドラフトゲノムの品質を向上するために第2塩基配列を使用する方法も挙げられる。 Another example of complementation is a method in which a second base sequence is used to improve the quality of a draft genome obtained when a first base sequence is obtained by metagenomic analysis.

典型的な全ゲノムショットガン方式のメタゲノム解析では、全ゲノムを所定の塩基長を有する断片(リード)に分割し、それぞれの断片をシークエンスして、それらを組み合わせること(アセンブリ、ビニング)で行われる。なお、メタゲノム解析を行う方法としては特に制限されず、公知の方法が使用できる。例えば、特開2005-218421号公報等に記載の全ゲノムショットガン方式による解析方法を使用でき、その方法は当業者にとって公知である。In a typical whole genome shotgun metagenomic analysis, the whole genome is divided into fragments (reads) of a predetermined base length, each fragment is sequenced, and the fragments are combined (assembly, binning). There are no particular limitations on the method for performing metagenomic analysis, and any known method can be used. For example, the whole genome shotgun analysis method described in JP 2005-218421 A and the like can be used, and this method is known to those skilled in the art.

本ゲノム解析方法における「補完」には上記断片の一つ(特定断片)として、第2塩基配列を用いることが含まれる。第2塩基配列は、膜小胞から得られた塩基配列を含み、その膜小胞を産生した細菌のゲノム配列の一部である。特に、第2塩基配列が単一細胞解析により得られたものである場合、特定断片は、個々の膜小胞を分離し、その塩基配列を解析したものであるため、典型的には、メタゲノム解析で用いられる断片よりも塩基長がより長く、更に配列もより正確である。 In this genome analysis method, "complementation" includes using a second base sequence as one of the above fragments (specific fragment). The second base sequence includes a base sequence obtained from a membrane vesicle, and is part of the genome sequence of the bacterium that produced the membrane vesicle. In particular, when the second base sequence is obtained by single-cell analysis, the specific fragment is obtained by isolating individual membrane vesicles and analyzing their base sequences, and therefore typically has a longer base length and a more accurate sequence than the fragments used in metagenomic analysis.

ここで、特定断片を全ゲノムの断片として用いる、とは、例えば、第2塩基配列を、全ゲノムショットガン方式によるメタゲノム解析における断片の一つとして用いることが挙げられる。特定断片は、生成した単一の膜小胞に由来する配列であり、より正確性の高い配列であるため、得られる全ゲノム配列がより品質の高いものになりやすい。
また、特定断片は、典型的には他の断片よりも塩基長が長いため、配列カバー率をより高めることが多い。
Here, using the specific fragment as a fragment of the whole genome means, for example, using the second base sequence as one of the fragments in metagenomic analysis by the whole genome shotgun method. The specific fragment is a sequence derived from a single membrane vesicle produced, and is a more accurate sequence, so that the obtained whole genome sequence is likely to be of higher quality.
Furthermore, the specific fragment typically has a longer base length than the other fragments, and therefore often provides a higher sequence coverage.

また、特定断片を全ゲノムの断片として用いる方法は、上記以外の方法であってもよい。例えば、特定断片を全ゲノム配列にマップすることであってもよい。ここで、全ゲノム配列に「マップする」とは、特定断片が、全ゲノム配列の一部の領域と一致することを意味する。一致とは、配列の90%以上が同一であることを意味し、95%以上が好ましく、99%以上がより好ましく、完全に同一であることが更に好ましい。 The method of using the specific fragment as a fragment of the whole genome may be a method other than the above. For example, the specific fragment may be mapped to the whole genome sequence. Here, "mapping" to the whole genome sequence means that the specific fragment matches a partial region of the whole genome sequence. Matching means that 90% or more of the sequence is identical, preferably 95% or more, more preferably 99% or more, and even more preferably completely identical.

特定断片を全ゲノム配列にマップすることにより、全ゲノム配列の品質をチェックすることができる。すなわち、特定断片を全ゲノムの断片として用いることは、全ゲノム配列にマップされる場合、その領域の全ゲノム配列が正確であると判断するための情報を提供することであってもよい。By mapping the specific fragment to the whole genome sequence, the quality of the whole genome sequence can be checked. That is, using the specific fragment as a fragment of the whole genome, when mapped to the whole genome sequence, may provide information to determine that the whole genome sequence of that region is accurate.

<本発明の他の実施形態>
本発明の他の実施形態に係るゲノム解析方法は、以下の工程を含むゲノム解析方法である。
・細菌と膜小胞とを含む懸濁液から、細菌を含む第1試料と、膜小胞を含む第2試料とを調製する(ステップS401、試料調製工程)。
・第1試料を用いて、第1塩基配列を決定する(ステップS402、第1塩基配列決定工程)。
・第2試料を核酸分解酵素で処理して、処理済み第2試料を調製する(ステップS403、処理工程)。
・処理済み第2試料を用いて、第2塩基配列を決定する(ステップS404、第2塩基配列決定工程)。
・第2塩基配列を用いて、第1塩基配列を補完する(ステップS405、補完工程)。
<Other embodiments of the present invention>
A genome analysis method according to another embodiment of the present invention is a genome analysis method including the following steps.
A first sample containing bacteria and a second sample containing membrane vesicles are prepared from a suspension containing bacteria and membrane vesicles (step S401, sample preparation step).
A first base sequence is determined using the first sample (step S402, first base sequence determination step).
The second sample is treated with a nuclease to prepare a treated second sample (step S403, treatment step).
The treated second sample is used to determine a second base sequence (step S404, second base sequence determination step).
The first base sequence is complemented by using the second base sequence (step S405, complementation step).

図4は、本実施形態に係るゲノム解析方法のフローである。本ゲノム解析方法は、処理工程を有すること以外は、図1に示されたゲノム解析方法と同様である。すなわち、ステップS401は、ステップS101と同様であり、ステップS402は、ステップS102と同様であり、ステップS404は、ステップS103と同様であり、ステップS405は、ステップS104と同様であり、公的形態も同様である。これらの「同様である部分」の説明は省略し、図1に示されたゲノム解析方法と異なる部分を主に説明する。 Figure 4 is a flow chart of the genome analysis method according to this embodiment. This genome analysis method is similar to the genome analysis method shown in Figure 1, except that it has a processing step. That is, step S401 is similar to step S101, step S402 is similar to step S102, step S404 is similar to step S103, step S405 is similar to step S104, and the public form is also similar. An explanation of these "similar parts" will be omitted, and the parts that differ from the genome analysis method shown in Figure 1 will be mainly explained.

本ゲノム解析方法は、第2試料を核酸分解酵素で処理して、処理済み第2試料を調製する工程(処理工程、ステップS403)を有する。This genome analysis method includes a step of treating the second sample with a nuclease to prepare a treated second sample (treatment step, step S403).

すでに説明したとおり、第2試料に含まれる膜小胞には、その宿主に由来する可能性が高い核酸成分が付着している。本実施形態に係るゲノム解析方法では、その核酸成分を分解除去する点に特徴の一つがある。
本実施形態に係るゲノム解析方法では、第2塩基配列が、確実に膜小胞に由来する配列であることを保証することができるため、第1塩基配列の補完がより容易になる。
As already explained, the membrane vesicles contained in the second sample have attached thereto nucleic acid components that are likely to be derived from the host. One of the features of the genome analysis method according to the present embodiment is that the nucleic acid components are decomposed and removed.
In the genome analysis method according to this embodiment, it is possible to ensure that the second base sequence is a sequence derived from a membrane vesicle, making it easier to complement the first base sequence.

処理工程で使用する核酸分解酵素としては特に制限されず、デオキシリボヌクレアーゼ等が使用できる。具体的には、第2試料の10μLを10倍希釈して、そこへ2μLのDNase(2000U)を添加する方法等が挙げられる。これにより処理済み第2試料が得られる。There are no particular limitations on the nucleic acid decomposition enzyme used in the treatment step, and deoxyribonuclease, etc., can be used. Specifically, a method can be used in which 10 μL of the second sample is diluted 10 times and 2 μL of DNase (2000 U) is added thereto. This results in a treated second sample.

ステップS404は、処理済み第2試料を用いて、第2塩基配列を決定する工程である。本工程で使用する配列決定方法は、使用する試料の量がより少量である点で、すでに説明した単一粒子解析が好ましい。
なお、本工程は、上記に加えて更に、未処理の第2試料を用いて、単一粒子解析で第2塩基配列を決定することを含むことが好ましい。
Step S404 is a step of determining a second base sequence using the treated second sample. The sequencing method used in this step is preferably the single particle analysis described above, since it requires a smaller amount of sample.
In addition to the above, this step preferably further includes determining a second base sequence by single particle analysis using an untreated second sample.

これにより、処理済み第2試料から、個々の膜小胞の塩基配列が得られて、未処理の第2試料からは、個々の膜小胞の塩基配列に加えて、膜小胞の表面に付着していた核酸成分の塩基配列が得られる。As a result, the base sequences of individual membrane vesicles are obtained from the treated second sample, and from the untreated second sample, in addition to the base sequences of individual membrane vesicles, the base sequences of nucleic acid components attached to the surface of the membrane vesicles are obtained.

すなわち、第2試料から得られる塩基配列と、処理済み第2試料の塩基配列との差分には、膜小胞の表面に付着していた核酸成分に由来する塩基配列が含まれる可能性が高い。すでに説明したとおり、上記「差分」は、宿主に由来する可能性が高い。本工程を有することで、得られる第2塩基配列による第1塩基配列のカバー範囲がより広くなる可能性がある。また、「差分」を利用すれば、得られた配列が膜小胞に由来するのか、表面に付着していた核酸成分に由来するのかを判断できる場合があり、より効率的にゲノム解析が可能になる。 In other words, the difference between the base sequence obtained from the second sample and the base sequence of the treated second sample is likely to include a base sequence derived from a nucleic acid component attached to the surface of the membrane vesicle. As already explained, the "difference" is likely to be derived from the host. By having this process, the coverage of the first base sequence by the obtained second base sequence may be wider. Furthermore, by utilizing the "difference", it may be possible to determine whether the obtained sequence is derived from the membrane vesicle or from a nucleic acid component attached to the surface, making genome analysis more efficient.

なお、上記では、第2試料の解析方法として単一細胞解析を用いる方法を主に記載したが、本発明の実施形態に係るゲノム解析方法としては上記に制限されず、他の方法によって第2試料の塩基配列を解析してもよい。そのような方法としては例えば、メタゲノム解析が使用できる。Although the above mainly describes a method of using single-cell analysis as a method of analyzing the second sample, the genome analysis method according to the embodiment of the present invention is not limited to the above, and the base sequence of the second sample may be analyzed by other methods. For example, metagenomic analysis can be used as such a method.

以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。The present invention will be described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these.

[実施例:膜小胞由来DNAを用いた希少微生物種のゲノム再構築]
唾液採取キットを用いて、健常者(Healthy)、及び、歯周病患者(Patients)の唾液を採取した。採取した唾液から、膜小胞と細菌とを分離して、それぞれ、膜小胞サンプル(MVs)と細菌細胞のサンプル(Bacteria)とした。
[Example: Genome reconstruction of rare microbial species using DNA derived from membrane vesicles]
Saliva was collected from healthy subjects (Health) and patients with periodontal disease (Patient) using a saliva collection kit. Membrane vesicles and bacteria were separated from the collected saliva to obtain membrane vesicle samples (MVs) and bacterial cell samples (Bacteria), respectively.

具体的な手順は以下のとおりである。まず、唾液を遠心分離して、菌体と、膜小胞とを粗分離した。次に、分離した遠心上清について、メンブランフィルターを用いてろ過し、ろ過後の遠心上清と、菌体とを分離した。
ろ過後の遠心上清には、細菌体以外にもタンパク質等の夾雑物質が含まれている場合があるので、100~200kDaカットオフフィルタで濃縮した後、超遠心によって膜小胞を沈殿させて回収した。このようにして得られた沈殿物には、細菌群等の構造体(例えば、せん毛、及び、べん毛等)が含まれていることがあるため、これらを除去するために、スクロースを用いた密度勾配遠心法を用いて、更に精製した。
The specific procedure is as follows: First, the saliva was centrifuged to roughly separate the bacterial cells and the membrane vesicles. Next, the separated centrifugation supernatant was filtered using a membrane filter, and the filtered centrifugation supernatant was separated from the bacterial cells.
Since the centrifugal supernatant after filtration may contain contaminating substances such as proteins in addition to the bacterial bodies, it was concentrated using a 100-200 kDa cutoff filter, and then the membrane vesicles were precipitated and collected by ultracentrifugation. Since the precipitate thus obtained may contain structures of the bacterial groups and the like (e.g., ciliata and flagella, etc.), in order to remove these, it was further purified using density gradient centrifugation using sucrose.

このようにして得られた膜小胞の表面には、膜小胞に由来しない核酸成分が付着している場合があるため、分離取得された膜小胞に更にデオキシリボヌクレアーゼを作用させ、これらの核酸成分を分解した。 Because the surface of the membrane vesicles obtained in this manner may contain nucleic acid components that are not derived from the membrane vesicles, the isolated membrane vesicles were further treated with deoxyribonuclease to decompose these nucleic acid components.

次に、得られた膜小胞サンプル、及び、細菌細胞のサンプルについて、単一粒子解析により、両サンプルの192個の粒子について、DNA配列をプロファイリングした。プロファイリングにあたっては、各粒子ごとに得られたfastqファイルを「SPADES」等のソフトウェアによってアセンブリし、得られたアセンブリに対しゲノムアノテーションのためのソフトウェアツールである「prokka」等を用いてタンパク質コード領域を予測・検出し、各領域について、公共データベース等(例えばNCBI RefSeq)に収録されたゲノムの塩基配列をリファレンスとして相同性検索を行い、マップされた(一形態として、一致度の最も高い)配列領域をゲノム中に最も多く有する細胞がその粒子の宿主細胞であると判断した。Next, the DNA sequences of 192 particles from the obtained membrane vesicle sample and the bacterial cell sample were profiled by single particle analysis. For profiling, the fastq files obtained for each particle were assembled using software such as "SPADES", and protein coding regions were predicted and detected for the obtained assemblies using software tools such as "prokka", which is a software tool for genome annotation. For each region, a homology search was performed using the genomic base sequences recorded in public databases (e.g., NCBI RefSeq) as references, and the cell with the most mapped sequence regions (as a form of highest degree of identity) in its genome was determined to be the host cell of that particle.

図5は、各サンプルにおけるAlphaproteobacteria bacterium 41-28(Alphaproteobacteria 41-28)が宿主細胞と判定された粒子の割合、すなわち、全粒子192個に対して、Alphaproteobacteria bacterium 41-28由来と判断された粒子の割合(Detected percentage)を表す図である。
また、図6は、上記と同様に計算された、各サンプルにおけるTM7x由来と判断された粒子の割合を表す図である。
FIG. 5 is a diagram showing the percentage of particles in each sample in which Alphaproteobacteria bacterium 41-28 (Alphaproteobacteria 41-28) was determined to be a host cell, that is, the percentage of particles determined to be derived from Alphaproteobacteria bacterium 41-28 (Detected percentage) relative to a total of 192 particles.
FIG. 6 is a diagram showing the proportion of particles determined to be derived from TM7x in each sample, calculated in the same manner as above.

図7は、膜小胞サンプル(Healthy)から得られた粒子(MV)のうち、Alphaproteobacteria 41-28由来と判断された粒子(52粒子分)の配列を、Alphaproteobacteria 41-28のゲノムDNAにマップした結果を表す図である。
横軸は、Alphaproteobacteria 41-28のゲノムDNAの領域を表しており、52個の各粒子から検出された領域が黒く示されている。図7では、縦軸に沿って52個の粒子の結果が並べて示されている。
FIG. 7 shows the results of mapping the sequences of particles (52 particles) determined to be derived from Alphaproteobacteria 41-28 among particles (MV) obtained from a membrane vesicle sample (Healthy) to the genomic DNA of Alphaproteobacteria 41-28.
The horizontal axis represents the region of the genomic DNA of Alphaproteobacteria 41-28, and the regions detected from each of the 52 particles are shown in black. In Figure 7, the results of the 52 particles are arranged along the vertical axis.

なお、マッピングにあたっては、宿主細胞であると判定された細胞のゲノムに対し、bowtie2、BWA等のマッピングソフトウェアを用いて、各粒子から取得された塩基配列をマッピングすることで、その細胞のゲノム配列のどれだけの領域をカバーできているかを評価した。 In mapping, the base sequences obtained from each particle were mapped to the genome of cells determined to be host cells using mapping software such as Bowtie2 and BWA to evaluate how much of the cell's genome sequence had been covered.

図8は、膜小胞サンプル(Patient)から得られた粒子(MV)のうち、TM7x由来と判断された粒子(86粒子)の配列を、TM7xのゲノムDNAにマップした結果を表す図である。横軸は、TM7xのゲノムDNAの領域を表しており、86個の各粒子から検出された領域が黒く示されている。図8では、縦軸に沿って86個の粒子の結果が並べて示されている。 Figure 8 shows the results of mapping the sequences of particles (86 particles) determined to be derived from TM7x among particles (MV) obtained from a membrane vesicle sample (Patient) to the genomic DNA of TM7x. The horizontal axis represents the region of the genomic DNA of TM7x, and the region detected from each of the 86 particles is shown in black. In Figure 8, the results of the 86 particles are arranged along the vertical axis.

図9は、膜小胞サンプルから得られた配列によって構築された各微生物のゲノムDNA長の割合を表す図である。横軸は、全ゲノム配列に対して、膜小胞由来のDNAで検出された領域(カバー領域)が占める割合を示している。 Figure 9 shows the proportion of genomic DNA length for each microorganism constructed from sequences obtained from membrane vesicle samples. The horizontal axis shows the proportion of the region detected in DNA derived from membrane vesicles (covered region) to the entire genome sequence.

上記の結果から、細菌自体が希少で、ショットガンメタゲノム解析や細菌サンプルの1細胞ゲノム解析では、ゲノムDNAを正しく得ることが難しい場合であっても、膜小胞を使うと、例えば、80%以上の領域が検出(再構築)できる。ショットガンメタゲノム解析等で再構築された細菌のゲノムDNAを、膜小胞のDNA解析結果により補完すれば、より正しく、簡便に、希少細菌のゲノムDNAの解析が行える。From the above results, even if the bacteria themselves are rare and it is difficult to obtain genomic DNA correctly using shotgun metagenomic analysis or single-cell genomic analysis of bacterial samples, by using membrane vesicles, for example, it is possible to detect (reconstruct) more than 80% of the region. By complementing the bacterial genomic DNA reconstructed by shotgun metagenomic analysis or the like with the results of DNA analysis of membrane vesicles, it is possible to analyze the genomic DNA of rare bacteria more accurately and simply.

本ゲノム解析方法によれば、膜小胞の塩基配列を、その産生元である細胞を含む全ゲノム解析に用いることで、従来の方法と比較してより迅速に正確な全ゲノム配列を得ることができる。本ゲノム解析方法は、複雑な細菌叢等の全体像をより正確により迅速に把握することができ、医療、環境、及び、食品産業等において、細菌叢の包括的なデータ取得に役立つものである。 According to this genome analysis method, by using the base sequence of membrane vesicles in whole genome analysis including the cells from which they were produced, it is possible to obtain accurate whole genome sequences more quickly than with conventional methods. This genome analysis method makes it possible to grasp the overall picture of complex bacterial flora more accurately and quickly, and is useful for obtaining comprehensive data on bacterial flora in the medical, environmental, and food industries, etc.

301 :マイクロ流路
302 :第1試料
303 :細菌
304 :オイル
305、306 :液滴

301: Microchannel 302: First sample 303: Bacteria 304: Oil 305, 306: Liquid droplets

Claims (11)

細胞と、前記細胞で産生され、前記細胞外に放出された膜小胞と、を含む懸濁液から、前記細胞と前記膜小胞とを分離し、前記細胞を含む第1試料と、前記膜小胞を含む第2試料とを調製することと、
前記第1試料に含まれる前記細胞に由来する塩基配列である、第1塩基配列を決定することと、
前記第2試料に含まれる前記膜小胞に由来する塩基配列である、第2塩基配列を決定することと、
前記第2塩基配列を用いて、前記第1塩基配列を補完することと、を含む、ゲノム解析方法。
Separating the cells and the membrane vesicles from a suspension containing the cells and the membrane vesicles produced by the cells and released outside the cells, and preparing a first sample containing the cells and a second sample containing the membrane vesicles;
determining a first base sequence, the first base sequence being a base sequence derived from the cell contained in the first sample;
determining a second base sequence, the second base sequence being a base sequence derived from the membrane vesicles contained in the second sample;
and complementing the first base sequence using the second base sequence.
前記第1塩基配列の決定が、前記第1試料の単一細胞解析によって行われる、請求項1に記載のゲノム解析方法。 The genome analysis method described in claim 1, wherein the determination of the first base sequence is performed by single-cell analysis of the first sample. 前記第1塩基配列の決定が、前記第1試料のメタゲノム解析によって行われる、請求項1に記載のゲノム解析方法。 The genome analysis method described in claim 1, wherein the first base sequence is determined by metagenomic analysis of the first sample. 前記第2塩基配列を決定することが、
前記第2試料を用い、前記膜小胞の1個体ずつを液滴中に封入することと、
前記液滴をゲル化してゲルカプセルを生成することと、
前記ゲルカプセルを溶解試薬と接触させて、前記膜小胞を溶解させ、前記膜小胞中のポリヌクレオチドが前記ゲルカプセルに溶出し、前記ゲルカプセル内に保持させることと、
前記ポリヌクレオチドを増幅試薬に接触させて、前記ポリヌクレオチドを前記ゲルカプセル内で増幅することと、
前記増幅したポリヌクレオチドから、前記膜小胞に由来する前記ポリヌクレオチドの塩基配列である第2塩基配列を決定することと、を含む、請求項1~3のいずれか1項に記載のゲノム解析方法。
Determining the second base sequence
encapsulating the membrane vesicles one by one in droplets using the second sample;
gelling the droplets to form gel capsules;
contacting the gel capsule with a dissolution reagent to dissolve the membrane vesicles, and dissolving the polynucleotides in the membrane vesicles into the gel capsule and retaining them within the gel capsule;
contacting the polynucleotide with an amplification reagent to amplify the polynucleotide within the gel capsule;
The genome analysis method according to any one of claims 1 to 3, further comprising determining a second base sequence from the amplified polynucleotide, the second base sequence being the base sequence of the polynucleotide derived from the membrane vesicle.
前記第2塩基配列を決定することが、
更に、前記第2試料を核酸分解酵素で処理することを含む、請求項4に記載のゲノム解析方法。
Determining the second base sequence
The genome analysis method according to claim 4 , further comprising treating the second sample with a nuclease.
前記第2塩基配列を決定することが、
前記処理を経た前記第2試料と、前記処理を経ない前記第2試料のそれぞれを用いて行われる、請求項5に記載のゲノム解析方法。
Determining the second base sequence
The genome analysis method according to claim 5 , wherein the method is performed using both the second sample that has been subjected to the treatment and the second sample that has not been subjected to the treatment.
前記補完することが、前記第2塩基配列を前記第1塩基配列の断片として用いることである、請求項1~6のいずれか1項に記載のゲノム解析方法。 A genome analysis method according to any one of claims 1 to 6, wherein the complementing comprises using the second base sequence as a fragment of the first base sequence. 前記補完することが、前記第1塩基配列のカバー率を向上させることである、請求項1~7のいずれか1項に記載のゲノム解析方法。 A genome analysis method according to any one of claims 1 to 7, wherein the complementing is to improve the coverage rate of the first base sequence. 前記懸濁液が、ヒト又は動物から採取した、糞便、唾液、喀痰、手術洗浄液、血液、並びに、皮膚又は身体粘膜の拭い液、及び、スワブからなる群より選択される少なくとも1種の採取試料である、請求項1~8のいずれか1項に記載のゲノム解析方法。 The genome analysis method according to any one of claims 1 to 8, wherein the suspension is at least one type of sample selected from the group consisting of feces, saliva, sputum, surgical irrigation fluid, blood, and skin or body mucosa swabs and swabs collected from a human or animal. 前記細胞が、細菌である、請求項1~9のいずれか1項に記載のゲノム解析方法。 A genome analysis method according to any one of claims 1 to 9, wherein the cell is a bacterium. 前記細菌が、ポルフィロモナス属、プレボテラ属、ベイヨネラ属、フソバクテリウム属、パルビモナス属、アグリゲイティバクター属、アクチノマイセス属、アクチノバチルス属、バクテロイデス属、タンネレラ属、トレポネーマ属、カンピロバクター属、エイケネラ属、及び、カプノサイトファーガ属からなる群より選択される少なくとも1種の細菌である、請求項10に記載のゲノム解析方法。

The genome analysis method according to claim 10, wherein the bacterium is at least one type of bacterium selected from the group consisting of the genera Porphyromonas, Prevotella, Veillonella, Fusobacterium, Parvimonas, Aggregatibacter, Actinomyces, Actinobacillus, Bacteroides, Tannerella, Treponema, Campylobacter, Eikenella, and Capnocytophaga.

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