人工的代謝ネットワークを用いた静止相における細胞代謝ダイナミクスの研究

• Project/Area Number: 22K15069
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 43040:Biophysics-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 姫岡 優介 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (70903160)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2026: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2025: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000); Fiscal Year 2024: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 代謝 / 動力学モデル / 微分方程式 / 力学系 / 化学反応 / ネットワーク / システム生物学 / 代謝モデル / 休眠状態

Outline of Research at the Start

どのような生物も外部から何らかの形でエネルギー源や物質を取り込み、それを使用することで自己複製や自己維持を行なっている。そのような一連の化学反応を一般に「代謝」というが、代謝ネットワークの構造とそのネットワークを持つ細胞の示す振る舞いの間にどのような関係があるのかということはあまりよく分かっていない。本研究では、細胞の「休眠状態」という状態を示すネットワークはどのような構造を持つのかということを数理科学的アプローチによって明らかにしていく。

Outline of Annual Research Achievements

冬眠能力を持つ動物以外の生物に冬眠能力を付与する研究、人工冬眠研究が近年注目を浴びている。
冬眠状態にある生物の組織は代謝活性が低く、また体温も非常に低い状態にある。化学反応系という、温度によって大きく影響を受けるシステムである細胞が、どのようにして低体温・低代謝状態へと安全に遷移し、そしてまた活動再開ができるのかを詳細に理解することは、人工冬眠研究の発展において重要な課題であるといえる。
本研究においては、そのような課題を理解する第一歩として「低温環境において代謝ダイナミクスはどのような影響を受けるのか」を明らかにするために、最も詳細なモデリングがなされている大腸菌の中心代謝経路動力学モデルを用いて解析を行った。
温度の変化が代謝反応に与える影響は大きく分けて２つ存在する。ひとつは酵素の最大反応速度定数といった速度論的変化であり、他方は反応の可逆性といった熱力学的要素の変化である。最大反応速度定数の変化自体は遺伝子発現レベルの変化によって打ち消すことができるため、本研究では反応可逆性の変化の影響のみに着目して解析を行った。具体的には、さまざまな温度環境下において代謝の微分方程式モデルをさまざまな初期値から数値積分し、そのダイナミクスを観察した。
数値解析の結果、至適温度（３７℃）ではどのような初期値から数値計算を開始しても代謝系は順調に細胞体の合成を行えることが明らかになった。しかし温度が下がるにつれ、徐々に代謝状態のバランスを崩してしまうような解軌道が確認されるようになった。そのような解軌道においては、いくつかの代謝物質の濃度が極端に低くなり、その一方で別の代謝物質の濃度は際限なく蓄積していく様子が観察された。温度低下によるダイナミクスの質的な変化が、代謝反応系におけるどのような反応に起因するのかを理解するために、現在解析を継続している。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

とりわけ支障なく研究が執り行えたため。

Strategy for Future Research Activity

今後は低温における代謝ネットワークダイナミクスの全体的な解析、そのネットワーク構造と「耐えられる温度の下限」の研究を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Niels Bohr Institute(デンマーク)
• [Int'l Joint Research] National Centre for Biological Sciences(インド)
• [Journal Article] Perturbation-response analysis of<i>in silico</i>metabolic dynamics in nonlinear regime: Hard-coded responsiveness in the cofactors and network sparsity (2024)
  • Author(s): Himeoka Yusuke、Furusawa Chikara
  • Journal Title: eLife (to be appeared) Volume: -
  • DOI: 10.1101/2023.10.18.562862
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Evolution of hierarchy and irreversibility in theoretical cell differentiation model (2023)
  • Author(s): Nakamura Yoshiyuki T、Himeoka Yusuke、Saito Nen、Furusawa Chikara
  • Journal Title: PNAS Nexus Volume: 3 Issue: 1 Pages: 454-454
  • DOI: 10.1093/pnasnexus/pgad454
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structural determinants of relaxation dynamics in chemical reaction networks (2022)
  • Author(s): Himeoka Yusuke、Kirkegaard Julius B.、Mitarai Namiko、Krishna Sandeep
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2022.05.25.493374
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Terraced NK model縺ォ縺翫￠繧矩⊆莨晏ュ仙梛縺ョ閾ェ逕ア蠎ヲ縺ィ騾イ蛹夜?溷コヲ縺ョ髢「菫? (2024)
  • Author(s): 豎?逕ー髮?螟ェ驛?, 蟋ォ蟯。蜆ェ莉?, 蜿、貔、蜉?
  • Organizer: 隨ャ11蝗槫ョ夐㍼逕溽黄蟄ヲ縺ョ莨壼ケエ莨?
• [Presentation] 螟ァ閻ク闖御サ」隰晏虚蜉帛ュヲ繝「繝?繝ォ縺ョ諱貞クク諤ァ縺ィ豁サ (2024)
  • Author(s): 蟋ォ蟯。蜆ェ莉?
  • Organizer: 隨ャ11蝗槫ョ夐㍼逕溽黄蟄ヲ縺ョ莨壼ケエ莨?
  • Invited
• [Presentation] 邏ー闖後?ョ莨醍悛迥カ諷九→莉」隰昴ム繧、繝翫Α繧ッ繧ケ縺ョ螳牙ョ壽?ァ (2024)
  • Author(s): 蟋ォ蟯。蜆ェ莉?
  • Organizer: 螟夂エー閭樔シ第ュ「繧堤?皮ゥカ縺吶ｋ莨?
  • Invited
• [Presentation] in silico邏ー閭樊ュサ (2024)
  • Author(s): 蟋ォ蟯。蜆ェ莉?
  • Organizer: 髱槫ケウ陦。邉サ縺ョ迚ゥ逅?
• [Presentation] Quantics繝?繝ウ繧ス繝ォ繝医Ξ繧、繝ウ繧堤畑縺?縺溷渚蠢憺?溷コヲ隲悶?ョ髱樒キ壼ス「蟶ク蠕ョ蛻?譁ケ遞句シ上?ョ隗」豕? (2024)
  • Author(s): 讚サ莠慕炊莠コ, 豌エ荳頑ク?, 豌エ驥朱寇螟ェ, 蟋ォ蟯。蜆ェ莉?, 蜩∝イ。蟇?
  • Organizer: 譌・譛ャ迚ゥ逅?蟄ヲ莨? 2024蟷エ譏・蟄」螟ァ莨?
• [Presentation] PURE螳滄ィ薙↓蝓コ縺・縺?縺歹PURE繝代Λ繝。繝シ繧ソ縺ョ隱ソ謨エ (2024)
  • Author(s): 蝮るァソ荵倶サ?, 蟋ォ蟯。蜆ェ莉?, 譚セ豬ヲ蜿倶コョ, 貂?豌エ鄒ゥ螳?, 蜿、貔、蜉?
  • Organizer: 蟄ヲ螟陰縲瑚カ?雜雁?蟄舌す繧ケ繝?繝?縲? 鬆伜沺莨夊ュー
• [Presentation] Solving differential equations for chemical kinetics using quantics tensor train (2024)
  • Author(s): Rihito Sakurai, Wataru Mizukami, Yuta Mizuno, Yusuke Himeoka, Hiroshi Shinaoka
  • Organizer: APS March Meeting 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Updating parameters of in silico PURE system model ePURE ) based on experimental observations (2024)
  • Author(s): Shunnosuke Ban, Yusuke Himeoka, Tomoaki Matsuura, Yoshihiro Shimizu, Chikara Furusawa
  • Organizer: Korea-Japan Joint Workshop of Bottom-up Synthetic Biology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 繝阪ャ繝医Ρ繝シ繧ッ縺ョ讒矩??縺ィ莉」隰晉憾諷九?ョ諱貞クク諤ァ (2023)
  • Author(s): 蟋ォ蟯。蜆ェ莉?
  • Organizer: 譌・譛ャ逕溽黄迚ゥ逅?蟄ヲ莨壹し繝悶げ繝ォ繝シ繝? 莠コ蟾・邏ー閭槭Δ繝?繝ォ?シ?蛻?蟄舌Ο繝懊ユ繧」繧ッ繧ケ 隨ャ4蝗樒?皮ゥカ莨?
  • Invited
• [Presentation] Exploring Host-Parasite Networks of Replicating RNA through Computational Simulations (2023)
  • Author(s): 隘ソ逕ー諷ァ,蟋ォ蟯。蜆ェ莉?,蜿、貔、蜉?
  • Organizer: 譌・譛ャ騾イ蛹門ュヲ莨夂ャャ25蝗槫、ァ莨?
• [Presentation] 莉」隰晉ウサ縺ッ鞫ょ虚縺ォ蟇セ縺励※縺ゥ縺?蠢懃ュ斐☆繧九° (2023)
  • Author(s): 蟋ォ蟯。蜆ェ莉?
  • Organizer: 蟄ヲ螟陰縲瑚カ?雜雁?蟄舌す繧ケ繝?繝?縲? 鬆伜沺莨夊ュー
• [Presentation] 邏ー閭槫??蛻?逕サ縺ヲ繧吝?讌ュ縺吶ｋ蜿榊ソ懊ロ繝?繝医Ρ繝シ繧ッ縺ョ讒矩?? (2023)
  • Author(s): 荳?莠穂ソ贋サ?,蟋ォ蟯。蜆ェ莉?,蜿、貔、蜉?
  • Organizer: 蟄ヲ陦灘、蛾擠A縲瑚カ?雜雁?蟄舌す繧ケ繝?繝?縲咲ャャ3蝗樣?伜沺莨夊ュー
• [Presentation] 莉」隰昴ロ繝?繝医Ρ繝シ繧ッ縺ョ讒矩??縺ィ鞫ょ虚縺ク縺ョ蠢懃ュ疲?ァ縺ョ髢「菫? (2023)
  • Author(s): 蟋ォ蟯。蜆ェ莉?, 蜿、貔、蜉?
  • Organizer: 縲檎エー閭槭ｒ蜑オ繧九?咲?皮ゥカ莨?16.0
• [Presentation] 莉」隰晏渚蠢懊ム繧、繝翫Α繧ッ繧ケ縺ョ鞫ょ虚窶灘ソ懃ュ秘未菫ゅ→繝阪ャ繝医Ρ繝シ繧ッ讒矩?? (2023)
  • Author(s): 蟋ォ蟯。蜆ェ莉?, 蜿、貔、蜉?
  • Organizer: 遐皮ゥカ莨壹?檎炊隲悶→螳滄ィ薙??
• [Presentation] Disruption of metabolic homeostasis: Responsiveness due to the cofactor dynamics and network sparsity (2023)
  • Author(s): 蟋ォ蟯。蜆ェ莉?, 蜿、貔、蜉?
  • Organizer: 譌・譛ャ逕溽黄迚ゥ逅?蟄ヲ莨夂ャャ61蝗槫ケエ莨?
• [Presentation] 莉」隰昴?帙Γ繧ェ繧ケ繧ソ繧キ繧ケ縺ョ謫セ荵ア縺ィ繝阪ャ繝医Ρ繝シ繧ッ縺ョ讒矩??縺ョ髢「菫? (2023)
  • Author(s): 蟋ォ蟯。蜆ェ莉?, 蜿、貔、蜉?
  • Organizer: 隨ャ46蝗樊律譛ャ蛻?蟄千函迚ゥ蟄ヲ莨壼ケエ莨?
• [Presentation] Simulating fast and slow chemical kinetics with dynamic mode decomposition (2023)
  • Author(s): Yuta Mizuno, Yosuke Sumiya, Yusuke Himeoka
  • Organizer: 38th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Disruption of metabolic homeostasis: Sensitivity due to the network structure (2023)
  • Author(s): Yusuke HImeoka, Chikara Furusawa
  • Organizer: Statphys28 Satellite meeting Statistical Physics and Information-Processing in Living Systems
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Emergence of Complex Host-Parasite networks of replicating RNA molecules: A Computational Analysis (2023)
  • Author(s): Kei Nishida, Yusuke Himeoka, Chikara Furusawa
  • Organizer: Statphys28 Satellite meeting Statistical Physics and Information-Processing in Living Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Disruption of homeostasis and death in kinetic models of Escherichia coli metabolism (2023)
  • Author(s): Yusuke HImeoka, Chikara Furusawa
  • Organizer: Statphys28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structure of catalytic reaction network for specialized compartments evolution (2023)
  • Author(s): Shunsuke Ichii, Yusuke Himeoka, Chikara Furusawa
  • Organizer: STATPHYS28 Satellite Meeting 窶彜tatistical Physics and Information-Processing in Living Systems窶?
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Solving differential equations for chemical kinetics using quantics tensor train (2023)
  • Author(s): Rihito Sakurai, Wataru Mizukami, Yuta Mizuno, Yusuke Himeoka, Hiroshi Shinaoka
  • Organizer: Trends in the Theory of Quantum Materials 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Solving differential equations for chemical kinetics using quantics tensor train (2023)
  • Author(s): Rihito Sakurai, Wataru Mizukami, Yuta Mizuno, Yusuke Himeoka, Hiroshi Shinaoka
  • Organizer: Computational Approaches to Quantum Many-Body Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Perturbation-response analysis of in silico metabolic dynamics: Hard-coded responsiveness in the cofactor and network sparsity (2023)
  • Author(s): Yusuke Himeoka
  • Organizer: Asia Synthetic Biology Association meeting 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Structural determinants of relaxation dynamics in a class of ligation-cleavage chemical reaction networks (2023)
  • Author(s): Sandeep Krishna
  • Organizer: The 45th Indian Biophysical Society Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 人工的な代謝ネットワークの緩和特性とネットワーク構造 (2022)
  • Author(s): 姫岡優介
  • Organizer: 日本物理学会第 77 回年次大会
• [Presentation] 代謝ネットワークの構造によるジェネラリスト・スペシャリスト戦略の出現 (2022)
  • Author(s): 新美倫太郎
  • Organizer: 日本物理学会第 77 回年次大会
• [Presentation] Bow-tie型代謝ネットワークの出現条件 (2022)
  • Author(s): 伊與田裕大
  • Organizer: 日本物理学会2022秋季大会
• [Book] システム生物学入門 (2023)
  • Author(s): 畠山 哲央、姫岡 優介
  • Total Pages: 288
  • Publisher: 講談社
  • ISBN: 9784065334348