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大規模代謝反応システムにおけるメタボロミクスデータからの数式モデル構築法

Research Project

Project/Area Number 12J02804
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Bioinformatics/Life informatics
Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

岩田 通夫  九州大学, 生物資源環境科学府, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2012 – 2013
Project Status Completed (Fiscal Year 2013)
Budget Amount *help
¥2,000,000 (Direct Cost: ¥2,000,000)
Fiscal Year 2013: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2012: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Keywordsメタボロミクス / システム生物学 / バイオケミカルシステム理論 / ニュートン法 / パラメーター推定 / 数式モデリング / 時間変化データ / 代謝反応システム / シミュレーション
Research Abstract

近年、LC-MSに代表されるような高性能分析機器の急速な性能向上に伴い、細胞内の数百もの代謝物濃度の時間変化を網羅的に測定できるようになってきた。本研究では、測定精度の高い細胞内代謝物濃度データに基づくメタボロミクス研究が飛躍的に発展していくことを見据え、コンピューター上での数値シミュレーションを可能にする数式モデルを構築することを目的とした。特に、代謝物濃度の時間変化データから、数式モデル中の速度パラメーターを確実に推算できる手法を確立することを主とした。最初に、手法の理論的な正当性を確認するために測定誤差を含まない時間変化データに基づく手法を構築することを目指した。その結果、これまでの研究で報告されていた手法と比べて速度パラメーターを迅速にかつ高精度で推算できる手法を構築することができ、本成果は国際誌において公表した。一方、共同研究を行っている理化学研究所の研究チームが保有する時間変化データは、大きな測定誤差を含んでいることが明らかとなったため、代謝反応システムを巨視的にとらえた数式モデル構築法の必要性が高まった。そこで、必要最小限の数の速度パラメーターを用いて代謝反応システムを記述することができる理論(バイオケミカルシステム理論)のS-システム型式に基づき手法の更なる簡略化を図った。その結果、理論的に正しい速度パラメーターを用いなくても代謝物濃度の時間変化データをうまく再現できる数式モデルの構築法を確立した。さらに検討を行った結果、本法では構築した数式モデルから得られる各酵素反応の流束式において、その計算値が厳密に正しくないが、時間変化などの動的な特徴を正しく表すことを見いだした。本成果も国際誌において公表した。以上のように、本研究において構築した二つの手法は、実測データに測定誤差が有る無しに関わらず適用が可能であり、今後のメタボロミクス研究の進展に大きく寄与するものと考えられる。

Strategy for Future Research Activity

(抄録なし)

Report

(2 results)
  • 2013 Annual Research Report
  • 2012 Annual Research Report
  • Research Products

    (8 results)

All 2013 2012

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (5 results)

  • [Journal Article] Estimation of kinetic parameters in an S-system equation model for ametabolic reaction system using the Newton-Raphson method2013

    • Author(s)
      Michio Iwata, Kansuporn Sriyudthsak, Masami Yokota Hirai and Fumihide Shiraishi
    • Journal Title

      Mathematical Biosciences

      Volume: VOL.248 Pages: 11-21

    • DOI

      10.1016/j.mbs.2013.11.002

    • Related Report
      2013 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Coarse but efficient identification of metabolic reaction systems2013

    • Author(s)
      Michio Iwata, Fumihide Shiraishi and Eberhard O. Voit
    • Journal Title

      International Journal of Systems Biology

      Volume: VOL.4 Pages: 57-72

    • Related Report
      2013 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Highly reliable computation of dynamic sensitivities in metabolic reaction systems by a variable-step Tavlor series method2012

    • Author(s)
      F.Shiraishi, M.Egashira, M.Iwata, K Sriyudthsak, K.Hattori
    • Journal Title

      Asia-Pacific Journal of Chemical Engineering

      Volume: 7 Issue: S1

    • DOI

      10.1002/apj.630

    • Related Report
      2012 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] S-システム型式を用いて大胆かつ効率よく代謝システムを数式化する方法の検討2013

    • Author(s)
      岩田通夫、白石文秀、Eberhard O. Voit
    • Organizer
      化学工学会 第45回秋季大会
    • Place of Presentation
      岡山大学 津島(東)キャンパス
    • Year and Date
      2013-09-26
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] A strategy for systematic parameter estimation in laree-scale metabolic reaction networks2013

    • Author(s)
      M. Iwata, F. Shiraishi
    • Organizer
      Frontiers in systems and synthetic biology '13
    • Place of Presentation
      Atlanta, USA
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] 代謝反応システムにおける数式モデルの構築と速度パラメータの迅速推算2012

    • Author(s)
      岩田通夫、白石文秀
    • Organizer
      化学工学会第44回秋季大会
    • Place of Presentation
      東北大学(仙台)
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] 代謝反応システムに対するS-システム型モデル式中の速度パラメータ推算におけるNewton-Raphson法の性能2012

    • Author(s)
      岩田通夫、白石文秀
    • Organizer
      平成24年度日本農芸化学会西日本支部および日本栄養・食糧学会九州・沖縄支部合同大会
    • Place of Presentation
      鹿児島大学(鹿児島)
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] Performance of Newton-Raphson method for estimating kinetic parameters in S-system type equation models for metabolic reaction network systems2012

    • Author(s)
      M. Iwata, F. Shiraishi
    • Organizer
      生命医薬情報学連合学会
    • Place of Presentation
      タワーホール船堀(東京)
    • Related Report
      2012 Annual Research Report

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Published: 2013-04-25   Modified: 2024-03-26  

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