多種反応系の見せる多階層的挙動の理論的研究

• Project/Area Number: 12J08104
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biophysics
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 上村 淳 東京大学, 総合文化研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥3,630,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2014: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2013: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2012: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: 触媒反応ネットワーク / 栄養律速 / 多様性 / 分子の少数性 / 情報理論 / 遺伝子発現

Outline of Annual Research Achievements

今年度は主に触媒増殖反応ネットワーク系において分子複製に必須な栄養資源が枯渇・競合している状況での振る舞いについて研究を進めた．これまで先行研究において,多種類の分子種がランダムな触媒・基質関係をネットワーク状に構成しながら複製・増殖する化学反応モデルを用いて，確率的でエラーの生じる“いい加減な”化学反応系からいかに化学成分・組成を一定に保持しながら再帰的に増殖できる細胞が生じるかなどが議論されてきた．しかし，そのような分子集団が再帰的に増殖する状況では少数種のみが生き残り、多様な分子組成が失われる傾向があることが知られており、いかに細胞が多様な組成を安定に保持出来るのかという疑問には答えられてこなかった．
そのような背景のもと，複製の際に必須な栄養資源を陽に取り入れたモデルを提案し、それらが枯渇・競合した状況では細胞の多様性が転移的に増す振る舞いを見せることを発見した. 各細胞レベルで栄養資源が枯渇すると、より少数の構成分子間の反応経路を選択し成長する領域から、より多くの構成分子間の反応経路を用いて成長する領域へと資源の枯渇具合に応じて転移的に変化することを力学系モデルによって説明し、資源の枯渇具合に応じた分子種の増加の仕方について解析的な結果を導いた。また、細胞間で栄養資源が競合する効果を導入すると、各細胞の構成分子の多様化に加えて、相互に触媒関係を構成する異なる分子種の組から成る細胞（細胞タイプの多様化）が共存し、100世代程度の分裂世代にわたって似た化学分子種構成の細胞が増殖する様子が見られた. この結果は複雑な機構を持ち合わせた化学反応系でなくとも、資源が枯渇・競合した状況下では再帰的な増殖を続けながら多様性を増す様子が普遍的に見られることを示唆する結果である.

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Transition to diversification by competition for multiple resources in a catalytic reaction network (2015)
  • Author(s): Atsushi Kamimura, Kunihiko Kaneko
  • Journal Title: Journal of Systems Chemistry Volume: 6 Issue: 1
  • DOI: 10.1186/s13322-015-0010-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Compartmentalization and Cell Division through Molecular Discreteness and Crowding in a Catalytic Reaction Network (2014)
  • Author(s): Atsushi Kamimura, Kunihiko Kaneko
  • Journal Title: Life Volume: 4 Issue: 4 Pages: 586-597
  • DOI: 10.3390/life4040586
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Delayed pursuit-escape as a model for virtual stick balancing (2013)
  • Author(s): J. G. Milton, A. Fuerte, C. Belair, J. Lippai, A. Kamimura, T. Ohira
  • Journal Title: Nonlinear Theory and Its Applications, IEICE Volume: 4 Pages: 129-137
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 確率的細胞システムにおけるベイズ情報処理 (2013)
  • Author(s): 小林徹也、上村淳
  • Journal Title: 生物物理 Volume: 53 Pages: 86-89
  • NAID: 10031151787
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 細胞のふるまいを読み解く時系列に潜む情報量 (2013)
  • Author(s): 小林徹也、上村淳
  • Journal Title: 実験医学 Volume: 31 Pages: 1239-1244
• [Journal Article] Information Processing and integration with intracellular dynamics near critical point (2012)
  • Author(s): A. Kamimura, T. J. Kobayashi
  • Journal Title: Frontiers in Fractal Physiology Volume: 3 Pages: 203-203
  • DOI: 10.3389/fphys.2012.00203
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Emergence of primitive cellular structure in a catalytic reaction network (2012)
  • Author(s): A. Kamimura, K. Kaneko
  • Journal Title: Proceedings of 2012 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications Pages: 21-24
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nonlinear dynamics of information processing in intracellular phenomen (2012)
  • Author(s): T. J. Kobayashi, T. Yamada, A. Kamimura
  • Journal Title: Proceedings of 2012 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications Pages: 33-36
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 触媒増殖反応系における資源競争効果と多様化 (2015)
  • Author(s): 上村淳、金子邦彦
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学西早稲田キャンパス（東京都・新宿区）
  • Year and Date: 2015-03-24
• [Presentation] Competition for a variety of resources results in diversification of cellular components and types (2015)
  • Author(s): Atsushi Kamimura, Kunihiko Kaneko
  • Organizer: The Third Annual Winter q-bio Meeting
  • Place of Presentation: ラハイナ(アメリカ）
  • Year and Date: 2015-02-20
• [Presentation] 触媒反応ネットワークにおける資源枯渇・競争と多様化 (2015)
  • Author(s): 上村淳、金子邦彦
  • Organizer: 第7回定量生物学の会
  • Place of Presentation: 九州大学筑紫キャンパス（福岡県・春日市）
  • Year and Date: 2015-01-11
• [Presentation] Minority molecules and competition in a catalytic reaction network (2014)
  • Author(s): Atsushi Kamimura, Kunihiko Kaneko
  • Organizer: 日本生物物理学会第52回年会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2014-09-26
  • Invited
• [Presentation] Collective behavior in chase and escape (2014)
  • Author(s): Atsushi Kamimura
  • Organizer: JSMB/SMB 2014
  • Place of Presentation: 大阪府立国際会議場（大阪府・大阪市）
  • Year and Date: 2014-08-01
  • Invited
• [Presentation] Reproduction of a protocell as a result of molecular crowding with a minority molecule in a catalytic reaction network (2014)
  • Author(s): Atsushi Kamimura
  • Organizer: OQOL 2014
  • Place of Presentation: 国際高等研究所（京都府・木津川市）
  • Year and Date: 2014-07-12
• [Presentation] Reproduction and control of a protocell with a minority molecule in a catalytic reaction network (2014)
  • Author(s): Atsushi Kamimura, Kunihiko Kaneko
  • Organizer: ORIGINS 2014
  • Place of Presentation: 奈良県新公会堂（奈良県・奈良市）
  • Year and Date: 2014-07-10
• [Presentation] 相互触媒増殖系における資源枯渇効果 (2014)
  • Author(s): 上村 淳
  • Organizer: 日本物理学会第69回年次大会
  • Place of Presentation: 東海大学(神奈川県平塚市)
  • Year and Date: 2014-03-27
• [Presentation] Resource competition in protocells with a minority molecule of a catalytic reaction network (2014)
  • Author(s): A. Kamimura
  • Organizer: The Second Annual Winter q-bio Meeting
  • Place of Presentation: ヒルトンワイコロアビレツジ(ハワイ・アメリカ)
  • Year and Date: 2014-02-19
• [Presentation] 触媒増殖反応系における栄養律速効果 (2013)
  • Author(s): 上村 淳
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島大学(徳島県徳島市)
  • Year and Date: 2013-09-25
• [Presentation] Relevance of minority molecules to reproductions of protocell swith a limiting resource for replications (2013)
  • Author(s): A. Kamimura
  • Organizer: Protocells : Back to the Future Workshop (ECAL 2013 Satellite)
  • Place of Presentation: ホテルVilla Diodoro(タオルミーナ・イタリア)
  • Year and Date: 2013-09-02
• [Presentation] 触媒反応系の見せる空間構造と排除体積効果 (2013)
  • Author(s): 上村 淳
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学 (広島県)
  • Year and Date: 2013-03-27
• [Presentation] Reproduction of a primitive cellular structure with a minority molecule in a catalytic reaction cycle (2013)
  • Author(s): A. Kamimura
  • Organizer: The First Annual Winter q-bio Meeting
  • Place of Presentation: ホノルル・ハワイ (アメリカ)
  • Year and Date: 2013-02-20
• [Presentation] Emergence of primitive cellular structure in a catalytic reaction network (2012)
  • Author(s): A. Kamimura
  • Organizer: 2012 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications
  • Place of Presentation: パルマデマヨルカ (スペイン)
  • Year and Date: 2012-10-22
• [Presentation] Emergence of a spatial structure with a minority molecule in a catalytic reaction network (2012)
  • Author(s): 上村 淳
  • Organizer: 日本生物物理学会第50回年次大会
  • Place of Presentation: 名古屋大学 (愛知県)
  • Year and Date: 2012-09-23
• [Presentation] 分子の離散性と混雑性に起因した空間構造の形成と分裂 (2012)
  • Author(s): 上村 淳
  • Organizer: 第五回定量生物学の会年会
  • Place of Presentation: 東京大学 (東京都)
• [Book] Mathematical Approaches to Biological Systems: Networks, Oscillations and Collective Motions (2015)
  • Author(s): Atsushi Kamimura, Shigenori Matsumoto, Toru Ohira
  • Total Pages: 166
  • Publisher: Springer