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Establishment of new data life science integrating geometry and motion of life

Planned Research

Project AreaEstablishing data descriptive science and its cross-disciplinary applications
Project/Area Number 22H05110
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (II)
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

李 聖林  京都大学, 高等研究院, 教授 (50620069)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 西川 正俊  法政大学, 生命科学部, 准教授 (30444516)
Project Period (FY) 2022-06-16 – 2027-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥184,340,000 (Direct Cost: ¥141,800,000、Indirect Cost: ¥42,540,000)
Fiscal Year 2025: ¥35,490,000 (Direct Cost: ¥27,300,000、Indirect Cost: ¥8,190,000)
Fiscal Year 2024: ¥36,400,000 (Direct Cost: ¥28,000,000、Indirect Cost: ¥8,400,000)
Fiscal Year 2023: ¥30,550,000 (Direct Cost: ¥23,500,000、Indirect Cost: ¥7,050,000)
Fiscal Year 2022: ¥45,890,000 (Direct Cost: ¥35,300,000、Indirect Cost: ¥10,590,000)
Keywordsパターン形成 / データ記述モデリング / 数理モデリング / 統合的モデリング / データ融合数理モデリング / かたちとうごき
Outline of Research at the Start

実験技術の革新的な進歩により得られる大量のデータから生命現象の本質をどう抽出するか,さらには,複数の階層と時空間スケールからなる生命の構造をどう統合的に捉えられるかというデータと数理の問題は今後の生命科学の進歩を左右する極めて重要な問題の一つになっている.本研究では生命の各層から得られるデータから生命機能の本質的な情報を抽出し,それらの情報を階層間で繋げる.これにより生命現象全体を包括的に理解可能とする統合的数理手法の開発,及びデータから現象を結びつける実装的システムの基盤創出を目指す.

Outline of Annual Research Achievements

これまでの数理モデルを用いた生命現象の研究では,長年,現象論的なアプローチによってその本質を数学で記述し提案してきた.特に,複雑な生命現象を単純化する視点を生かした数理モデリングの研究は,生物実験だけでは発見することが難しい生命現象の本質を仮説として提案し,生物実験による検証を通じて「仮説」を「可能性」に変えることで,生命科学の発展に貢献してきた.一方で, 実験技術の革新的な進歩により,個々の細胞の動きや遺伝子の発現状態までを定量的に計測できるようになった.生命科学におけるデータ革命と言える時代の到来である.その一方,大量のデータから生命現象の本質をどう抽出するか,さらには,複数の階層と時空間スケールからなる生命の構造をどう統合的に捉えられるかというデータと数理の問題は未だ明確に解決しておらず,今後の生命科学の進歩を左右する極めて重要な問題の一つになっている.本研究では生命の各層から得られるデータから生命機能の本質的な情報を抽出し,それらの情報を階層間で繋げる.これにより生命現象全体を包括的に理解可能とする統合的数理手法の開発,及びデータから現象を結びつける実装的システムの基盤創出を目指す.

本年度では、新しいデータ記述法となる細胞のlive imagingと数理モデルを統合する新しいモデリング手法の開発に成功した。さらに、生殖細胞の初期分化における空間との相互作用に関する数理モデルを遺伝子レベルから細胞、そして組織レベルまで統合できる数理モデルの構築に成功し、今後、実験での検証を含めて成果をまとめていく予定である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

新しいデータ記述法となる細胞のlive imagingと数理モデルを統合する新しいモデリング手法の開発に成功し、論文を執筆する段階に達している。これらの手法はデータ科学と数理生物学の両分野において極めて斬新で新規性の高い手法であり、世界で初めての成果である。
また、生殖細胞の初期分化における空間との相互作用に関する数理モデルを遺伝子レベルから細胞、そして組織レベルまで統合できる数理モデルの構築に成功し、様々な結果を得られている。今後、実験での検証を含めて成果をまとめていく予定である。

Strategy for Future Research Activity

生命科学全体の枠組みの中で数理の世界と現象の世界をデータという骨格で繋いだ一つの構造体系として上記の問いを捉えて解決していく.現象のデータを出発点とし,実験データから情報を抽出できるデータ記述法を開発し,それぞれの階層間のデータ情報を時空間で結びつけるデータ間の記述法を開発する.以下ではそれぞれのサブプロジェクトにおける研究計画を述べる.
テーマ1)生命の多層にわたるパターン形成の統合的理解(GDA,TDA) 生命の各層のパターン形成をつなぐマルチスケールモデルの構築と,形と模様データの数学的定式化による実装基盤の構築:現在、新しいデータ記述法となる細胞のlive imagingと数理モデルを統合する新しいモデリング手法の開発に成功し、論文を執筆する段階に達している.本手法をサルの受精卵の着床の発生における細胞運動の仕組みを解明する融合研究に応用していく.さらに、実際のデータ画像とin silicoの画像の類似性を比較するための数理的手法の開発を進める.
テーマ2)細胞メカニクスに基づいた細胞機能操作の基盤創出(TDA) 流れ・形・パターンを統合的に考察可能な数理的手法の構築と細胞分化制御の非遺伝子操作手法の基盤創出:Live Imagingデータに基づいて細胞固有のparameterを推定する手法の開発を進めている.現時点で2次元のデータで成功しており、それを3次元のデータにも拡張していく.
テーマ3)細胞内ネットワークと細胞群の分化決定をつなぐ普遍性の解明(PDA):単一細胞内の分化ネットワークから細胞集団の分化系統を記述する数理手法の開発と細胞種と数決定の普遍的仕組みの解明:生殖細胞の初期分化における空間との相互作用に関する数理モデルを遺伝子レベルから細胞、そして組織レベルまで統合できる数理モデルの構築に成功しており、今後、実験での検証を含めて結果を論文としてまとめていく.

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (36 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (5 results) Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 3 results) Presentation (23 results) (of which Int'l Joint Research: 16 results,  Invited: 11 results) Funded Workshop (3 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Oxford Oxford(英国)

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  • [Journal Article] Turing Pattern Formation in Reaction-Cross-Diffusion Systems with a Bilayer Geometry2024

    • Author(s)
      Antoine Diez; Andrew Krause; Philip Maini; Eamonn Gaffney; Sungrim Seirin-Lee
    • Journal Title

      Bulletin of Mathematical Biology

      Volume: 86 Issue: 2

    • DOI

      10.1007/s11538-023-01237-1

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  • [Journal Article] The optimal strategy of incompatible insect technique (IIT) using Wolbachia and the application to malaria control2023

    • Author(s)
      Taiga Matsufuji; Sungrim Seirin-Lee
    • Journal Title

      Journal of Theoretical Biology

      Volume: 569 Pages: 111519-111519

    • DOI

      10.1016/j.jtbi.2023.111519

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] The mean-field limit for particle systems with uniform full-rank constraints2023

    • Author(s)
      Steffen Plunder; Bernd Simeon
    • Journal Title

      Kinetic and Related Models

      Volume: 16 Issue: 6 Pages: 884-912

    • DOI

      10.3934/krm.2023012

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Topological Travelling Waves of a Macroscopic Swarmalator Model in Confined Geometries2023

    • Author(s)
      P. Degond; A. Diez
    • Journal Title

      Acta Applicandae Mathematicae

      Volume: 188 Issue: 1

    • DOI

      10.1007/s10440-023-00628-9

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] The extra-embryonic space and the local contour are crucial geometric constraints regulating cell arrangement2022

    • Author(s)
      Seirin-Lee Sungrim、Yamamoto Kazunori、Kimura Akatsuki
    • Journal Title

      Development

      Volume: 149 Issue: 9

    • DOI

      10.1242/dev.200401

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  • [Presentation] Mind the gap: The extra-embryonic space is crucial geometric constraint regulating cell arrangement2024

    • Author(s)
      Sungrim Seirin-Lee
    • Organizer
      Winter Q-bio 2024
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  • [Presentation] 腎臓内科学にも数理の風を吹かせてみませんか。2024

    • Author(s)
      Sungrim Seirin-Lee
    • Organizer
      腎臓内科講演会
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  • [Presentation] Cell Fate and Geometry2024

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      Sungrim Seirin-Lee
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      Sungrim Seirin-Lee
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      MSJ Spring Meeting 2024
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  • [Presentation] Mathematical Dermatology linking Eruption Morphology and Skin Disease2024

    • Author(s)
      Sungrim Seirin-Lee
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      Imperial College of London, Lab Seminar
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  • [Presentation] Mind the gap: Space inside eggs steers first few steps of life2023

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      Sungrim Seirin-Lee
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      RIKEN NDR Symposium 2023
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  • [Presentation] Cell nematics in collective migration of Vibrio alginolyticus2023

    • Author(s)
      Masatoshi Nishikawa
    • Organizer
      2022年度べん毛研究交流会開催のご案内
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  • [Presentation] Mathematical Dermatology linking Eruption Morphology and Skin Disease2023

    • Author(s)
      Sungrim Seirin-Lee; Daiki Matsubara; Yuhki Yanase; Takuma Kunieda; Shunsuke Takahagi; Michihiro Hide
    • Organizer
      CIJK International Meeting 2023
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  • [Presentation] Mind the gap: Space inside eggs steers first few steps of life2023

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      Sungrim Seirin-Lee
    • Organizer
      Society for Mathematical Biology Annual Meeting - 2023
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      Masatoshi Nishikawa
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      Society for Mathematical Biology Annual Meeting - 2023
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  • [Presentation] Mind the gap:The extra-embryonic space is crucial geometric constraints regulating cell arrangement.2023

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      Sungrim Seirin-Lee; Kazunori Yamamoto; Akatsuki Kimura
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      ICIAM 2023
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  • [Presentation] Convergence of position-based dynamics for first-order particle systems with volume exclusion2023

    • Author(s)
      Steffen Plunder; Sara Merino-Aceituno
    • Organizer
      ICIAM 2023
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      Masatoshi Nishikawa
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      ICIAM 2023
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      Antoine Diez; Andrew L. Krause; Philip K. Maini; Eamonn A. Gaffney; Sungrim Seirin-Lee
    • Organizer
      ICIAM 2023
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  • [Presentation] The directionality of cell extrusion as a clue to study epithelial-to-mesenchymal transitions2023

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      Steffen Plunder
    • Organizer
      OKO International Symposium 2023
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Mathematical Dermatology linking Eruption Morphology and Skin Disease2023

    • Author(s)
      Sungrim Seirin-Lee
    • Organizer
      OKO International Symposium 2023
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  • [Presentation] 形と皮膚疾患をつなぐ数理皮膚医学2023

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      Sungrim Seirin-Lee
    • Organizer
      第4回『医学と数理』研究会
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    • Author(s)
      Sungrim Seirin-Lee
    • Organizer
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    • Author(s)
      Ryunosuke Saito; Masatoshi Nishikawa, Sungrim Seirin-Lee
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  • [Presentation] Single cell dynamics in collective migration of Vibrio alginolyticus2023

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    • Organizer
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  • [Presentation] Mathematical theory for bilateral coupling between actin-myosin dynamics and muscle tissue dynamics2023

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      Steffen Plunder
    • Organizer
      Development across scales
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  • [Presentation] From Geometry To Patterns2022

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      Sungrim Seirin-Lee
    • Organizer
      Kyoto-Vienna biomath workshop 1-2 December 2022
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Published: 2022-06-20   Modified: 2025-04-17  

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