Creation of multilevel model for predicting self-organization of bacterial population
| Project/Area Number |
19K03645
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 12040:Applied mathematics and statistics-related
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| Research Institution | Hokkaido University (2021-2022)
Kyoto University (2019-2020) |
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Principal Investigator |
田崎 創平 北海道大学, 理学研究院, 准教授 (50713020)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
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| Keywords | 枯草菌 / コロニーパターン / バイオフィルム / ライフサイクル / 数理モデル / 遺伝子制御ネットワーク / マルチレベルモデル / 細胞分化 / データ同化 / 細胞タイプ制御 / 細菌 / 自己組織化 / データ解析 |
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| Outline of Research at the Start |
真正細菌の細胞集団は、周囲環境の条件や同種・異種の細胞密度などの情報を受けて、多様な形態を自己組織する。本研究では、細菌集団形態の自己組織化のメカニズム解明に向けて、互いに連動するマルチレベルな数理モデルのシステムを創成する。対応する環境条件・変異株での培養計測実験、データ同化手法による高精度予測と計測困難なパラメータの推定、およびマルチスケールデータ解析による提案モデルの評価と改善を行うことによって、集団形態形成機構の解明と予測システムの確立を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
細菌集団の自己組織化のマルチレベル数理モデルを求めて、一細胞の状態制御、細胞集団動力学、細胞密度場、という3つのレベルの数理モデルを構築し、そしてそれらを結ぶマルチレベルモデリングの方法論を構築することを目指している。異なる細胞状態の制御が関わっていて、かつマクロな秩序形成と密接に結びついているものとして、細菌バイオフィルムのライフサイクル生成を研究した。このライフサイクルの本質をもつ単純なモデルとして、枯草菌の同心円状コロニーの形成を調べた。枯草菌は多様な細胞タイプを取ることができるが、その中でも、運動タイプと基質産生タイプがコロニー構築において交互に支配的になり、ライフサイクルが生成される。そこで本研究では、特にこれらの細胞タイプ間の制御と関連する遺伝子群の制御ネットワークおよびそのダイナミクスを記述する数理モデルを構築していた。培養実験と合わせて、細胞集団の状態制御の数理モデルを構築し、数値的および数学的な解析を行ってきた。これにより、ライフサイクルの生成の有力なメカニズムを提示してきた。昨年度はそこから、細胞レベルと組織レベルをつなぐ新しい枠組みの数理モデルを構築したが、今年度はさらに細胞分化シグナルに着目した、一般の細胞分化系に広く適用可能なマルチレベルモデリングの手法を発見した。結果として、前年度の成果と合わせて、計２種類のマルチレベルモデリングの手法を構築できた。今後は更なるマルチレベルモデリングの理論整備を進め、モデル構築手法や適用範囲を明確にする。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題の第一目標であり、かつ難しい問題であるマルチレベルな数理モデリングにおいて、細胞レベルと組織レベルをつなぐ一般的なモデル構築手法を２種類構築できた。これは幅広く多細胞系に適用できることが期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
細胞レベルと組織レベルをつなぐマルチレベルモデル法を２種類構築した。今後はそれぞれの手法の適用範囲を明らかにし、幅広く多細胞系の解析に使用できるよう理論を整備する。
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Report
(4 results)
Research Products
(38 results)
