形態形成ダイナミクスのマルチスケールメカノバイオロジー解析手法の構築

• Project Area: From molecules, cells to organs : trans-hierarchical logic for higher-order pattern and structures
• Project/Area Number: 23127506
• 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: Kyoto University
• Principal Investigator: 井上 康博 京都大学, 再生医科学研究所, 准教授 (80442929)
• 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: メカノバイオロジー / 形態形成 / シミュレーション / マルチスケール / 発生・分化

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、形態形成過程に見られる組織階層における多細胞間の協調によるダイナミクスと細胞階層の力場・細胞変形との関連、さらに細胞変形によって生じる分子階層の力学－生化学変換について、アクチン細胞骨格系の力学－生化学連成を中心に、階層間接続するマルチスケールメカノバイオロジーの解析手法の構築を目指している。本年度は、以下の成果を得た。
（１）分子スケール：アクチンフィラメントに対する張力負荷は、フィラメント内のアミノ酸残基の位置を一様に変化させるのではなく、特定のアミノ酸残基群からなる立体構造を変化させることがわかった。そのようなアミノ酸残基群には、張力感受的な相互作用変調が実験的に示唆されているタンパク質との結合ドメインが含まれていたことから、張力感受の分子実体に迫る重要な知見が得られたと考えられる。（２）分子集団・細胞スケール：アクチン－ミオシン間相互作用の張力感受性を数理モデル化し、１分子レベルの張力感受性から分子集団・細胞レベルの張力感受的な構造適応が生じる仕組をシミュレーションにより示した。分子から細胞に至る階層を超えた力感受のロジックに繋がる重要な成果である。（３）組織スケール：形態形成の多細胞動態を表すために前年度に構築した数理モデル（RNRモデル）を用いて、形態形成に必須の細胞活動である細胞増殖の数理モデルを構築した。構築したモデルによるシミュレーションから、細胞レベルの特性量である細胞分裂軸の変調が組織レベルの成長過程における形状変化に与える影響を解析することができるようになり、細胞から組織に至る組織形状構築に関するロジック抽出に必要不可欠のメカノバイオロジー手法を構築することに成功した。以上の成果を査読英文誌（4報）において発表した。

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] Apical contractility in growing epithelium supports robust maintenance of smooth curvatures against cell-division-induced mechanical disturbance (2013)
  • Author(s): Satoru Okuda, Yasuhiro Inoue, Mototsugu Eiraku, Yoshiki Sasai, Taiji Adachi
  • Journal Title: Journal of Biomechanics Volume: 未定
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Modeling cell proliferation for simulating three-dimensional tissue morphogenesis based on a reversible network reconnection framework (2013)
  • Author(s): Satoru Okuda, Yasuhiro Inoue, Mototsugu Eiraku, Yoshiki Sasai, Taiji Adachi
  • Journal Title: Biomechanics and Modeling in Mechanobiology Volume: (in print) Issue: 5 Pages: 987-996
  • DOI: 10.1007/s10237-012-0458-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Role of the actin-myosin catch bond on actomyosin aggregate forma- tion (2013)
  • Author(s): Y. Inoue, T. Adachi
  • Journal Title: Cell. Molec. Bioeng. Volume: Vol. 6 Issue: 1 Pages: 3-12
  • DOI: 10.1007/s12195-012-0265-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reversible network reconnection model for simulating large deformation in dynamic tissue morphogenesis (2013)
  • Author(s): Okuda S, Inoue Y, Eiraku M, Sasai Y, Adachi T
  • Journal Title: Biomech Model Mechanobiol Volume: 12 Issue: 4 Pages: 627-44
  • DOI: 10.1007/s10237-012-0430-7
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Soft-core Interaction Between Entanglement Segments for Primitive Chain Network Simulations (2012)
  • Author(s): Satoru Okuda, Takashi Uneyama, Yasuhiro Inoue, Yuichi Masubuchi, Masaki Hojo
  • Journal Title: Nihon Reoroji Gakkaishi Volume: 40 Issue: 1 Pages: 21-30
  • DOI: 10.1678/rheology.40.21
  • NAID: 10031143570
  • ISSN: 0387-1533, 2186-4586
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantitative analysis of extension-torsion coupling of actin filaments (2012)
  • Author(s): Shinji Matsushita, Yasuhiro Inoue, Taiji Adachi
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: (印刷中)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of tensile force on the mechanical behavior of actin filament (2011)
  • Author(s): Shinji Matsushita, Yasuhiro Inoue, Masaki Hojo, Masahiro Sokabe, Taiji Adachi
  • Journal Title: Journal of Biomechanics Volume: 44 Issue: 9 Pages: 1776-1781
  • DOI: 10.1016/j.jbiomech.2011.04.012
  • NAID: 120003779176
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Coase-grained Brownian rathcet model of membrane protrusion on cellular scale (2011)
  • Author(s): Yasuhiro Inoue, Taiji Adachi
  • Journal Title: Biomechanics and Modeling in Mechanobiology Volume: 10 Issue: 4 Pages: 495-503
  • DOI: 10.1007/s10237-010-0250-6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Modeling myosin-dependent rearrangement and force generation in an actomyosin network (2011)
  • Author(s): Y.Inoue
  • Journal Title: Journal of Theoretical Biology Volume: 281 Issue: 1 Pages: 65-73
  • DOI: 10.1016/j.jtbi.2011.04.004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Advances in experiments and modeling in micro- and nano-biomechanics-A mini review (2011)
  • Author(s): M.Long
  • Journal Title: Cellular and Molecular Bioengineering Volume: 4 Issue: 3 Pages: 327-339
  • DOI: 10.1007/s12195-011-0183-x
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Biomechanical Simulation of Tissue Morphogenesis Based on Multicellular Interactions (2013)
  • Author(s): Taiji Adachi, Satoru Okuda, Yasuhiro Inoue
  • Organizer: International Symposium on Bio Medical Engineering Interface
  • Place of Presentation: 東北大学
  • Year and Date: 2013-03-14
  • Invited
• [Presentation] リバーシブル・ネットワーク・リコネクションモデルに基づく組織形態形成シミュレーションのための細胞増殖の数理モデル化 (2013)
  • Author(s): 奥田 覚，井上 康博，永樂 元次，笹井 芳樹，安達 泰治
  • Organizer: 日本機械学会第25回バイオエンジニアリング講演会
  • Place of Presentation: 産業技術総合研究所（つくば）
  • Year and Date: 2013-01-09
• [Presentation] 分子動力学法を用いたアクチンフィラメントの張力感受に関わるアミノ酸残基群の力学的挙動の検討 (2013)
  • Author(s): 近藤 由章, 井上 康博, 安達 泰治
  • Organizer: 日本機械学会第25回バイオエンジニアリング講演会
  • Place of Presentation: 産業技術総合研究所（つくば）
  • Year and Date: 2013-01-09
• [Presentation] 形態形成ダイナミクスのマルチスケール計算メカノバイオロジー (2012)
  • Author(s): 井上康博，安達泰治
  • Organizer: 第4回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
  • Place of Presentation: 北九州市
  • Year and Date: 2012-10-22
• [Presentation] 分子動力学法を用いたアクチンフィラメントの張力感受に関わるアミノ酸残基群の力学的挙動の検討 (2012)
  • Author(s): 近藤 由章, 井上 康博, 安達 泰治
  • Organizer: 第4回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
  • Place of Presentation: 北九州市
  • Year and Date: 2012-10-22
• [Presentation] 分子動力学法によるコフィリン修飾アクチンフィラメントの平衡化シミュレーション (2012)
  • Author(s): 藤井 徹矢, 井上 康博, 安達 泰治
  • Organizer: 日本機械学会第２３回バイオフロンティア講演会
  • Place of Presentation: 弘前市
  • Year and Date: 2012-10-05
• [Presentation] 骨梁リモデリングにおけるシグナル伝達機構の数理モデル化 (2012)
  • Author(s): 竹中 健太郎, 井上 康博, 安達 泰治
  • Organizer: 日本機械学会第２３回バイオフロンティア講演会
  • Place of Presentation: 弘前市
  • Year and Date: 2012-10-05
• [Presentation] Large Deformation of Multicellular Tissues during Morphogenesis Using Reversible Network Reconnection Model (2012)
  • Author(s): Satoru Okuda, Yasuhiro Inoue, Mototsugu Eiraku, Yoshiki Sasai, and Taiji Adachi
  • Organizer: Exciting Biologies: Forces in Biology
  • Place of Presentation: アイルランド
  • Year and Date: 2012-10-04
• [Presentation] Molecular dynamics model of cofilactin filament (2012)
  • Author(s): Tetsuya Fujii, Yasuhiro Inoue, Taiji Adachi
  • Organizer: 第50回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2012-09-22
• [Presentation] Simulations of large deformation during tissue morphogenesis using reversible network reconnection model (2012)
  • Author(s): Satoru Okuda, Yasuhiro Inoue, Mototsugu Eiraku, Yoshiki Sasai, Taiji Adachi
  • Organizer: 第50回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2012-09-22
• [Presentation] 分子動力学法を用いたアクチンフィラメント内サブユニットの力学的挙動の検討 (2012)
  • Author(s): 近藤 由章, 松下 慎二, 井上 康博, 安達 泰治
  • Organizer: 日本機械学会2012年度年次大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2012-09-10
• [Presentation] Rearrangement dynamics of contractile actomyosin networks (2012)
  • Author(s): Yasuhiro Inoue, Shunsuke Tsuda, Koji Nakagawa, Masaki Hojo, Taiji Adachi
  • Organizer: 10th World Congress on Computational Mechanics
  • Place of Presentation: ブラジル
  • Year and Date: 2012-07-08
• [Presentation] Mathematical model for large deformations of multiple-cell aggregate during tissue morphogenesis (2012)
  • Author(s): Satoru Okuda, Yasuhiro Inoue, Mototsugu Eiraku, Yoshiki Sasai, Taiji Adachi
  • Organizer: 10th World Congress on Computational Mechanics
  • Place of Presentation: ブラジル
  • Year and Date: 2012-07-08
• [Presentation] Mechanical Behavior of Actin Filaments under Tension: A Molecular Dynamics Simulation Study (2012)
  • Author(s): Taiji Adachi, Shinji Matsushita, Yashihiro Inoue
  • Organizer: 10th International Symposium on Biomechanics and Biomedical Engineering
  • Place of Presentation: ドイツ
  • Year and Date: 2012-04-11
  • Invited
• [Presentation] Three-dimensional vertex model for simulating large deformation of cell aggregates during tissue morphogenesis (2012)
  • Author(s): Satoru Okuda, Yasuhiro Inoue, Mototsugu Eiraku, Yoshiki Sasai, Taiji Adachi
  • Organizer: CDB Symposium 2012 : Quantitative Developmental Biology
  • Place of Presentation: 理化学研究所CDB
  • Year and Date: 2012-03-26
• [Presentation] Molecular Dynamics Simulation Study of Mechanical Behavior of Actin Subunits in the Actin Filament (2012)
  • Author(s): Yoshiaki Kondo, Yasuhiro Inoue, Taiji Adachi
  • Organizer: International Symposium on Cellular Mechanobiology
  • Place of Presentation: 京都大学
  • Year and Date: 2012-03-16
• [Presentation] Trabecular Remodeling Simulation Considering Bone Remodeling Cycle (2012)
  • Author(s): Kentaro Takenaka, Hiroki Ishibashi, Yasuhiro Inoue, Taiji Adachi
  • Organizer: International Symposium on Cellular Mechanobiology
  • Place of Presentation: 京都大学
  • Year and Date: 2012-03-16
• [Presentation] Mathematical Modeling and Simulation of Mechanical Behavior of Cell during Cytokinesis (2012)
  • Author(s): Koji Nakagawa, Yasuhiro Inoue, Satoru Okuda, Taiji Adachi
  • Organizer: International Symposium on Cellular Mechanobiology
  • Place of Presentation: 京都大学
  • Year and Date: 2012-03-16
• [Presentation] Cofilactin Filament Model for Molecular Dynamics Simulation (2012)
  • Author(s): Tetsuya Fujii, Yasuhiro Inoue, Taiji Adachi
  • Organizer: International Symposium on Cellular Mechanobiology
  • Place of Presentation: 京都大学
  • Year and Date: 2012-03-16
• [Presentation] Three-dimensional vertex model for simulating large deformation of cell aggregates during tissue morphogenesis (2012)
  • Author(s): Satoru Okuda, Yasuhiro Inoue, Mototsugu Eiraku, Yoshiki Sasai, Taiji Adachi
  • Organizer: International Symposium on Cellular Mechanobiology
  • Place of Presentation: 京都大学
  • Year and Date: 2012-03-16
• [Presentation] SIMULATION OF MYOSIN-DEPENDENT REARRANGEMENT AND FORCE GENERATION IN AN ACTOMYOSIN NETWORK (2012)
  • Author(s): Yasuhiro Inoue, Shunsuke Tsuda, Koji Nakagawa, Masaki Hojo, Taiji Adachi
  • Organizer: 56th Annual Meeting of Biophysical Society
  • Place of Presentation: サンディエゴ(アメリカ)
  • Year and Date: 2012-02-27
• [Presentation] MOLECULAR DYNAMICS ANALYSIS OF COUPLING BEHAVIORS BETWEEN EXTENSION AND TORSION OF ACTIN FILAMENTS (2012)
  • Author(s): Shinji Matsushita, Yasuhiro Inoue, Taiji Adachi
  • Organizer: 56th Annual Meeting of Biophysical Society
  • Place of Presentation: サンディエゴ(アメリカ)
  • Year and Date: 2012-02-27
• [Presentation] 組織発生の形態形成過程における細胞の分裂と成長のモデル化 (2012)
  • Author(s): 奥田覚, 井上康博, 永樂元次, 笹井芳樹, 安達泰治
  • Organizer: 日本機械学会第24回バイオエンジニアリング講演会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2012-01-08
• [Presentation] 吸収腔の移動に着目した骨リモデリングシミュレーション (2012)
  • Author(s): 石橋弘輝, 井上康博, 安達泰治
  • Organizer: 日本機械学会第24回バイオエンジニアリング講演会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2012-01-07
• [Presentation] 細胞質分裂における収縮環の力発生と細胞膜変形との関連:力学シミュレーションによる検討 (2012)
  • Author(s): 中川光司, 井上康博, 奥田覚, 安達泰治
  • Organizer: 日本機械学会第24回バイオエンジニアリング講演会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2012-01-07
• [Presentation] Molecular Dynamics Simulation of Actin Filament (2012)
  • Author(s): Yasuhiro Inoue, Shinji Matsushita, Taiji Adachi
  • Organizer: KSME-JSME Joint Symposium on CM CAE 2012
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Invited
• [Presentation] マルチースケール多細胞力学系シミュレーション (2012)
  • Author(s): 井上 康博
  • Organizer: 日本応用数理学会数理医学研究部会第３０回数理医学セミナー
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Invited
• [Presentation] アクチン細胞骨格の動力学シミュレーション (2011)
  • Author(s): 井上康博
  • Organizer: 日本バイオインフォマティクス学会応用システムバイオロジー研究会
  • Place of Presentation: 理化学研究所計算科学研究機構(招待講演)
  • Year and Date: 2011-11-07
• [Presentation] Particulate-based simulation of myosin-dependent rearrangement dynamics of actomyosin networks (2011)
  • Author(s): Yasuhiro Inoue
  • Organizer: International Symposium on Mechanobiology
  • Place of Presentation: 上海(中国)(招待講演)
  • Year and Date: 2011-11-06
• [Presentation] 細胞分裂における収縮環による細胞変形のシミュレーション (2011)
  • Author(s): 中川光司, 井上康博, 奥田覚, 安達泰治
  • Organizer: 日本機械学会第22回バイオフロンティア講演会
  • Place of Presentation: アスト津(三重県)
  • Year and Date: 2011-10-08
• [Presentation] Physical and geometrical improvements of three-dimensional vertex model for simulating morphogenetic dynamics of multicellular tissue in development (2011)
  • Author(s): Satoru Okuda, Yasuhiro Inoue, Mototsugu Eiraku, Yoshiki Sasai, Taiji Adachi
  • Organizer: Exciting biology series : Biology at the interface
  • Place of Presentation: 理化学研究所CDB
  • Year and Date: 2011-09-29
• [Presentation] シート状多細胞組織の形態発生に関する数理モデルの検討 (2011)
  • Author(s): 奥田覚, 井上康博, 永楽元次, 笹井芳樹, 安達泰治
  • Organizer: 日本機械学会2011年度年次大会
  • Place of Presentation: 東京工業大学
  • Year and Date: 2011-09-13
• [Presentation] アクチンフィラメントの引張-ねじり連成挙動の評価 (2011)
  • Author(s): 松下慎二, 井上康博, 曽我部正博, 安達泰治
  • Organizer: 日本機械学会2011年度年次大会
  • Place of Presentation: 東京工業大学
  • Year and Date: 2011-09-13
• [Presentation] アクチン細胞骨格のバイオメカニクスシミュレーション (2011)
  • Author(s): 井上康博
  • Organizer: 第14回信州大学超精密技術センター講演会
  • Place of Presentation: 信州大学(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-02
• [Remarks] 京都大学教育活動データベース
  • URL: http://kyouindb.iimc.kyoto-u.ac.jp/j/lS2qY