Theoretical analysis of the effect of phage administration on bacterial populations

• Project/Area Number: 23K19987
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 1002:Human informatics, applied informatics and related fields
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 松木 彩星 北海道大学, 先端生命科学研究院, 博士研究員 (60983426)
• Project Period (FY): 2023-08-31 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: バクテリオファージ / 細菌 / ネットワーク / 相互作用ネットワーク / ファージ療法

Outline of Research at the Start

細菌感染症の新たな治療法として、ファージ療法(細菌に感染するウイルスであるファージを用いる治療法)の確立が期待されている。ファージは特定の細菌のみを標的として感染するため、ファージ療法は抗生物質による治療に比べて副作用が少ないと考えられている。しかし近年の研究は、クロスフィーディングをはじめとした細菌間の相互作用のために、ファージ投与の影響が標的以外の細菌にも及ぶことを明らかにしつつある。本研究では、ファージ投与が標的以外の細菌を含めた細菌集団の個体群にどのような影響を与えるかを数理モデル解析により明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

細菌感染症の新たな治療法として、ファージ療法（＝細菌に感染するウイルスであるファージを用いる治療法）の確立が期待されている。ファージは特定の細菌のみを標的として感染するため、副作用が少なく済むと考えられている。しかし近年の研究は、細菌間の相互作用のために、ファージ投与の影響が標的以外の細菌にも及ぶことを明らかにしつつある。本研究では、ファージ投与が細菌の集団に対して及ぼす影響を明らかにすることを目指す。今年度は、相互作用する細菌とファージからなる微生物集団の個体群動態を記述した数理モデルを構築した。特に、２種の細菌がクロスフィーディングを行いながら共存するという系を考え、数値シミュレーションによってファージの標的ではない細菌が死滅してしまう可能性があることを明らかにした。また、ファージのバーストサイズや潜伏期間、細菌の増殖レートなどがファージ投与の効果に対してどのような影響を及ぼすかを調べた。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

モデル構築と簡潔な場合でのシミュレーション・解析計算を行うことができた。これらが完了する時期が当初より若干遅れたために成果発表が当初計画どおりには行えなかった。

Strategy for Future Research Activity

３種以上の細菌を含むような複雑なネットワークを考え、ファージ投与の影響を評価する。また、近年の実験研究によってクロスフィーディング以外の相互作用（細菌によるpH調整など）が微生物集団の構成に与える影響が明らかになってきており、これらの相互作用をモデルに取り入れることも検討する。国内学会や国際会議で成果を発表する。