統計量による細胞状態の記述とそれを用いた細胞状態遷移理論の構築

• Project/Area Number: 16770113
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Biophysics
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 古澤 力 大阪大学, 大学院・情報科学研究所, 助教授 (00372631)
• Project Period (FY): 2004 – 2005
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2005)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,900,000); Fiscal Year 2005: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2004: ¥3,200,000 (Direct Cost: ¥3,200,000)
• Keywords: ゆらぎ / 細胞状態遷移 / 反応ネットワーク

Research Abstract

本プロジェクトにおける本年度の研究では、細胞内ダイナミクスのゆらぎによる状態遷移に注目し、計算機シミュレーションを用いた理論研究と実験研究の双方から研究を行った。
理論研究においては、細胞内の化学反応のダイナミクスを、決定論的な部分(反応による生成・消費の項と体積変化による希釈項)と確率論的な部分(分子の少数性に起因するゆらぎの項)に分けて考え、その両者の大きさの比が細胞状態に応じて変化することを考慮に入れた細胞状態の遷移モデルを構築し、その性質を詳細に調べた。このモデルにおいては、ゆらぎの効果と決定論的な反応のダイナミクスの兼ね合いから、増殖速度が高い状態へはゆらぎによる状態遷移が容易に起こり、その逆は起こり難いといった性質が出現する。この過程を調べることによって、どのようにして細胞はさまざまな環境に適応できるか、またどのようにしてシグナル伝達系のような精巧な分子ネットワークが進化の過程において出現し得るかについて、新たな理解をもたらすと期待される。この研究の結果については、論文を執筆中である。
実験研究においては、アミノ酸合成経路全ての遺伝子について、その遺伝子のプロモータ下流にGFPを結合させたプラスミドを構築し大腸菌に導入することによって、その遺伝子の発現量とゆらぎを網羅的に測定できる系を構築した。ここで、アミノ酸合成経路に注目した理由は、制御のネットワークが比較的既知であることと、また環境を変化させることによって経路上の遺伝子発現を変化させることが可能だからである。この系を使うことによって、細胞に環境変化を与えたときにどのように遺伝子制御ネットワークが応答し、そのとき発現量のゆらぎと変化にどのような一般則が存在するかを検証することが可能となる。今後は、この系を用いて、細胞内ダイナミクスにおける制御機構の性質を理解することを目指す。

Research Products

• [Journal Article] Evolutionary origin of power-laws in a biochemical reaction network: Embedding abundance distribution into topology (2006)
  • Author(s): Chikara Furusawa, Kunihiko Kaneko.
  • Journal Title: Physical Review E 73 Pages: 11912-11912
• [Journal Article] Morphogenesis, Plasticity, and Irreversibility (2006)
  • Author(s): Chikara Furusawa, Kunihiko Kaneko.
  • Journal Title: Int.J.Dev.Biol. 50 Pages: 223-223
• [Journal Article] Emergence of Two Power-Laws in Evolution of Biochemical Network; Embedding Abundance Distribution into Topology (2006)
  • Author(s): Chikara Furusawa, Kunihiko Kaneko
  • Journal Title: Lecture notes in computer science 3853 Pages: 80-80
• [Journal Article] Universal Statistics of Cells with Recursive Production (2005)
  • Author(s): Kunihiko Kaneko, Chikara Furusawa
  • Journal Title: Lecture notes in complex systems 3 Pages: 155-155
• [Journal Article] Ubiquity of Log-normal Distribution in Intra-cellular Reaction Dynamics (2005)
  • Author(s): Chikara Furusawa, Takao Suzuki, Akiko Kashiwagi, Tetsuya Yomo, Kunihiko Kaneko
  • Journal Title: BIOPHYSICS 1 Pages: 25-25
  • NAID: 130000091831
• [Journal Article] Ubiquity of Log-normal Distribution in Intra-cellular Reaction Dynamics (2005)
  • Author(s): Chikara Furusawa, Takao Suzuki, Akiko Kashiwagi, Tetsuya Yomo, Kunihiko Kaneko
  • Journal Title: BIOPHYSICS (In press)
  • NAID: 130000091831
• [Journal Article] Selection of Initial Conditions for Recursive Production of Multicellular Organisms (2005)
  • Author(s): Hiroshi Yoshida, Chikara Furusawa, Kunihiko Kaneko
  • Journal Title: Journal of Theoretical Biology (In press)
• [Journal Article] An evolutionary relationship between genetic variation and phenotypic fluctuation
  • Author(s): Kunihiko Kaneko, Chikara Furusawa
  • Journal Title: Jour.Theor.Biol (in press)