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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

Research Project

Project/Area Number 22K15069
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 43040:Biophysics-related
Research InstitutionThe 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 *help
¥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
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。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (34 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 3 results) Presentation (28 results) (of which Int'l Joint Research: 11 results,  Invited: 6 results) Book (1 results)

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    • ISBN
      9784065334348
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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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