Designing Super-survival System by Studying Bacterial Biofilm Formation
| Project/Area Number |
19KK0103
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| Research Category |
Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
加納 剛史 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (80513069)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福原 洸 東北大学, 電気通信研究所, 助教 (10827611)
石黒 章夫 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (90232280)
安井 浩太郎 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (70876739)
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| Project Period (FY) |
2019-10-07 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥18,330,000 (Direct Cost: ¥14,100,000、Indirect Cost: ¥4,230,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2021: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
Fiscal Year 2020: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2019: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
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| Keywords | 自律分散制御 / バイオフィルム / サバイバビリティ / イトミミズ / チスイコウモリ / COVID-19 / 蝋燭振動子 / バクテリア / 自律分散システム |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，環境への適応戦略を自律的に創出し，過酷な環境下でも機能する「サバイバビリティ」の高い人工物システムの革新的設計論構築を目指す．目的達成のため，複数のバクテリアの相互作用により自己組織的に形成された構造体であるバイオフィルムに着目する．バクテリアを用いた生物実験と数理モデリングによりサバイバル戦略を創発可能なシステムの設計論を構築し，さらにその設計論を用いて過酷な環境に耐え得る人工物を実世界実現する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，環境への適応戦略を自律的に創出し，過酷な環境下でも機能する「サバイバビリティ」の高い人工物システムの設計論構築を目指す.目的達成のため，バクテリアのバイオフィルムが示す環境適応戦略の発現原理を解明する.バイオフィルムは，複数のバクテリアと場の間の相互作用により自己組織的に形成された構造体であり，個々のバクテリアの足し算を超えた強靭なサバイバビリティを実現している.英国の浅利はこれまで，枯草菌を用い，1)一部の細胞が犠牲になることで全体の機能を維持する，2)各細胞が一時的に栄養を摂取制限することで全体の細胞を共存させる，といった利他的な戦略がサバイバビリティ実現の鍵であることを示した.本研究では，このようなサバイバル戦略の発現メカニズムの解明を試みる. 当初，遺伝子ノックアウトにより利他的な戦略を封じられた個体群を徐々に環境を厳しくする実験条件下で複数世代にわたって培養し，個体群が生き延びるため の戦略をどのように創出するかを観察する予定であったが，議論の結果この実験は技術的に困難であることが判明した．そこで，様々な生命・社会システムにおけるサバイバビリティの発現メカニズムを探り，それらの間に成り立つ普遍原理を追求する方針とした．昨年度はバイオフィルムのみならず，イトミミズやチスイコウモリの群れが厳しい環境下で生き延びる戦略の発現メカニズムの解明を試み，生物実験，数理モデリング，シミュレーション，実機プラットフォームの構築を行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初のバイオフィルムを用いた実験は順調に進まなかったものの，イトミミズ・チスイコウモリの群れが，バイオフィルムと同様に自律分散制御を活用したサバイバビリティの高いシステムであることを発見し，数理モデルとシミュレーションによりその本質をある程度掴むことができた．しかしながら，実世界検証に向けた実機プラットフォームが途中段階であり，共通原理の抽出にはまだ至っていない．
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| Strategy for Future Research Activity |
バイオフィルムも含めて様々なシステムのサバイバビリティに共通する制御原理を見出す，さらに，群ロボットを開発してその妥当性を実世界検証する．
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Report
(4 results)
Research Products
(18 results)
