動く細胞の情報プロセスによって、ゆらぎから生起する秩序の情報論的な解明

• Project Area: Cross-talk between moving cells and microenvironment as a basis of emerging order in multicellular systems
• Project/Area Number: 23111531
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: The Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 柴田 達夫 独立行政法人理化学研究所, フィジカルバイオロジー研究ユニット, ユニットリーダー (10359888)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥8,710,000 (Direct Cost: ¥6,700,000、Indirect Cost: ¥2,010,000); Fiscal Year 2012: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2011: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
• Keywords: 細胞運動 / 走化性細胞 / 細胞形態 / 定量生物学 / 理論生物学 / フィジカルバイオロジー / 走化性 / 自発運動 / 確率モデル

Outline of Annual Research Achievements

細胞の確率統計的なシステムで、また細胞のまわりの環境もまた大きくゆらいでいる。それにもかかわらず、細胞は環境の情報を適切に感じ取り、処理をし、応答をする。走化性細胞は外部の誘引物質の濃度が低く緩やかな勾配を効率良く検出することが出来る。この効率の良い走化性情報処理の背後にある機構を理解するために、細胞の勾配検出、細胞の形態変化、運動に関する理論的な研究を、コンセプトモデルを用いて行った。わたしたちの研究から、細胞外の濃度勾配から、レセプターで検出できる勾配情報の最大値は、レセプターとリガンドの反応の確率性に大きく影響を受けることが分かった。もしも細胞が濃度勾配の大きさと方向の両方を検出しているとすると、伸長した形態の細胞は、伸長方向と垂直方向に移動する傾向がある。一方、勾配の方向だけを検出する場合、細胞は伸長の方向に運動する傾向がある。（Baba, et al. 2012）さらに細胞の運動方向の確率密度関数は、これらの２つの場合で定性的に違っていることが分かった。(Hiraiwa et al. 2013)。実験によって計測された細胞性粘菌の運動方向の確率密度関数は、これらの場合のうち、勾配方向のみを検出する場合と一致した。さらに細胞の極性形成が勾配検出の能力を増加させることがわかった。
細胞性粘菌などのアメーバ様の運動をする細胞は複雑な形態を変化させて移動する。わたしたちは細胞の形態の統計的な性質を調べた。その結果、細胞性粘菌の複雑な形態は、適切な座標を選ぶことで、比較的少数の自由度で表わされることが分かった。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Theoretical model for cell migration with gradient sensing and shape deformation (2013)
  • Author(s): Tetsuya Hiraiwa, Akinori Baba and Tatsuo Shibata
  • Journal Title: Eur. Phys. J. E Volume: 36 Issue: 4 Pages: 32-32
  • DOI: 10.1140/epje/i2013-13032-1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Asymmetric PTEN distribution regulated by spatial heterogeneity in membrane-binding state transitions. (2013)
  • Author(s): Matsuoka S
  • Journal Title: PLoS Computational Biology Volume: 9 Issue: 1 Pages: e1002862-e1002862
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1002862
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Directional sensing of deformed cells under faint gradients (2012)
  • Author(s): Akinori Baba, Tetsuya Hiraiwa, and Tatsuo Shibata
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 86 Issue: 6
  • DOI: 10.1103/physreve.86.060901
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The Relation of Signal Transduction to The Sensitivity and Dynamic Range of Bacterial Chemotaxis (2012)
  • Author(s): Toshinori Namba, Masatoshi Nishikawa, Tatsuo Shibata
  • Journal Title: Biophysical Journal Volume: 103 Issue: 6 Pages: 1390-1399
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2012.08.034
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Modeling the self-organized phosphatidylinositol lipid signaling system in chemotactic cells using quantitative image analysis (2012)
  • Author(s): Shibata T
  • Journal Title: Journal of Cell Science Volume: 125 Pages: 5138-5150
  • DOI: 10.1242/jcs.108373
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hierarchical organization of noise generates spontaneous signal in Paramecium cell (2011)
  • Author(s): Shunsuke Ooyama, Tatsuo Shibata
  • Journal Title: J Theor Biol Volume: 283 Pages: 1-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Activation Kinetics of RAF Protein in the Ternary Complex of RAF, RAS-GTP, and Kinase on the Plasma Membrane of Living Cells : SINGLE-MOLECULE IMAGING ANALYSIS (2011)
  • Author(s): Kayo Hibino, Tatsuo Shibata, Toshio Yanagida, Yasushi Sako
  • Journal Title: J Biol Chem Volume: 286 Pages: 3640-36468
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 真核細胞の走化性シグナル伝達系の自己組織化による勾配のセンシング (2013)
  • Author(s): Tatsuo Shibata
  • Organizer: 理研シンポジウム：細胞システム動態と論理Ⅴ
  • Place of Presentation: 理化学研究所、和光
  • Year and Date: 2013-03-21
• [Presentation] Self-organization in polarity formation and gradient sensing in eukaryotic chemotaxis (2013)
  • Author(s): Tatsuo Shibata
  • Organizer: The First Annual Winter q-bio Meeting
  • Place of Presentation: Hawaii ，Honolulu
  • Year and Date: 2013-02-18
• [Presentation] 走化性細胞における１細胞の自己組織化を実験、統計解析、理論モデル化から解明する (2012)
  • Author(s): Tatsuo Shibata
  • Organizer: 数学と現象：Mathematics and Phenomena2012
  • Place of Presentation: 宮崎大学工学部
  • Year and Date: 2012-11-16
  • Invited
• [Presentation] self-organization in the processes of inherent polarity formation, gradient sensing, and directional motility in eukaryotic chemotaxis (2012)
  • Author(s): Tatsuo Shibata
  • Organizer: NECD12 - International Conference of GRK 1558 “NonEquilibrium Collective Dynamics:#8232;Bridging the Gap between Hard and Soft Materials”
  • Place of Presentation: Potsdam, Germany
  • Year and Date: 2012-10-01
  • Invited
• [Presentation] Fluctuating signals in cellular signal transduction systems (2012)
  • Author(s): Tatsuo Shibata
  • Organizer: 第50 回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学 東山キャンパス
  • Year and Date: 2012-09-22
  • Invited
• [Presentation] Self-Organization in Signaling System of Eukaryotic Chemotaxis (2012)
  • Author(s): Tatsuo Shibata
  • Organizer: Dynamic Days Asia Pacific７
  • Place of Presentation: Academia Sinica, Taipei, Taiwan
  • Year and Date: 2012-08-05
  • Invited
• [Presentation] Self-organization of intracellular signaling system in single chemotactic cells (2012)
  • Author(s): Tatsuo Shibata
  • Organizer: Nonlinear Partial Differential Equations: Theory and Applications to Complex Systems An International Conference in honor of Hiroshi Matano
  • Place of Presentation: Institute of Advanced Scientific Studies Marilyn and James Simon Conference Center, Paris, France.
  • Year and Date: 2012-06-25
  • Invited
• [Presentation] 走化性シグナル伝達系の自己組織化と応答に実験と理論からアプローチする (2011)
  • Author(s): 柴田達夫
  • Organizer: 日本発生生物学会秋期シンポジウム2011
  • Place of Presentation: 岡崎カンファレンスセンター(招待講演)
  • Year and Date: 2011-12-19
• [Presentation] Self-organization in signaling system of chemotactic cells (2011)
  • Author(s): 柴田達夫
  • Organizer: Modeling and Analysis in the Life Sciences
  • Place of Presentation: 東京大学(招待講演)
  • Year and Date: 2011-11-28
• [Presentation] リズムと生物学 (2011)
  • Author(s): 柴田達夫
  • Organizer: RIMS研究集会第8回生物数学の理論とその応用
  • Place of Presentation: 京都大学数理解析研究所(招待講演)
  • Year and Date: 2011-11-16
• [Presentation] 走化性細胞における細胞の自発的な極性形成と勾配認識 (2011)
  • Author(s): 柴田達夫
  • Organizer: CBI/JSBi2011
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場(招待講演)
  • Year and Date: 2011-11-08
• [Presentation] Progress in the understanding of intracellular signaling networks of molecules (2011)
  • Author(s): 柴田達夫
  • Organizer: 第49回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 兵庫県県立大学姫路書写キャンパス(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-16
• [Presentation] 細胞の走化性シグナル伝達系の自己組織化と応答 (2011)
  • Author(s): 柴田達夫
  • Organizer: 第21回日本数理生物学会年会
  • Place of Presentation: 明治大学(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-13
• [Presentation] 走化性シグナル分子の示す興奮性 (2011)
  • Author(s): 西川正俊
  • Organizer: 第21回日本数理生物学会年会
  • Place of Presentation: 明治大学(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-13
• [Presentation] Spontaneous symmetry breaking and signal processing in chemotactic response of eukaryotic cells (2011)
  • Author(s): 柴田達夫
  • Organizer: International conference "Engineering of Chemical Complexity
  • Place of Presentation: Berlin(招待講演)
  • Year and Date: 2011-07-07
• [Presentation] Inherent Polarity and Gradient Sensing of the Self-organized Signaling System in Chemotactic Cells (2011)
  • Author(s): 柴田達夫
  • Organizer: Towards Innovation in Developmental Cell Biology : The impact of Emerging Technologies
  • Place of Presentation: 理化学研究所CDB(招待講演)
  • Year and Date: 2011-07-01
• [Book] in Engineering of Chemical Complexity (2013)
  • Author(s): Tatsuo Shibata
  • Publisher: STOCHASTIC FLUCTUATIONS AND SPONTANEOUS SYMMETRY BREAKING IN THE CHEMOTAXIS SIGNALING SYSTEM OF DICYOSTELIUM CELLS.
• [Book] 生命科学の新しい潮流理論生物学 (2011)
  • Author(s): 柴田達夫, 上田昌宏
  • Total Pages: 18
  • Publisher: 共立出版