2016 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Discovery of the logic that establishes the 3D structure of organisms |
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| Project/Area Number |
15H05861
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
井上 康博 京都大学, ウイルス・再生医科学研究所, 准教授 (80442929)
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| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 生物物理学 / 計算力学 / 形態形成 / シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
器官・組織の３Ｄ形態形成における普遍的な力学原理のひとつを明らかにすることを目的とし、上皮シートの折りたたみを基本変形によって理解することを目指している。上皮シートが立体的な組織に変形するためには、組織の面外への変形（面外変形）が必要不可欠であることから、面外変形に、どのような力学条件が必要であり、その力学条件は細胞のどのような活動によって実現可能であるかを明らかにする必要がある。
本年度は、大きく２つの課題に進展があった。１つ目として、昨年度からの継続課題である上皮シートにおける収縮細胞の配置パターンと折り畳み形状との関係について、実験系班員と連携した力学シミュレーションにより、神経管形成の力学原理における細胞形状の変化、細胞移動の重要性について明らかにした。この成果を英文誌に公表した。また、組織変形の基本となるシンプルな変形ルールの組み合わせによって、複雑な折り畳み形状を説明しうることが、ルールベースのシミュレーションから明らかとなった。ルールベースシミュレーションのためのプログラムをインターネット用ブラウザでも実行できるよう開発し、実験系班員との共同研究に資するよう公開を行った。
２つ目として、実験系班員との連携により、成虫原基の周囲組織から受ける反力を考慮するため、３Dバーテックスモデルをさらに進化させた。新しい３Dバーテックスモデルを用いた力学シミュレーションにより、折り畳み形成には、上皮シートの周囲組織の力学的な拘束が重要である可能性が示唆された。成長する上皮シートは、周囲組織から受ける反力によって、自発的な折り畳みが生じること、その反力の大きさに応じて、折り畳み構造の波長が変化することが明らかとなった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
実験系班員と連携した力学シミュレーションの推進により、神経管形成に見られる陥入（面外変形）から始まる管腔形成において、細胞形状の変化・細胞移動の重要性を明らかにし、英文誌に公表した。さらに、成虫原基に見られる複雑な折り畳み構造が自発的に形成されるための力学原理のひとつの可能性を示唆することができた。これらにより、本年度の研究計画を達成することができた。さらに、実験系班員との共同研究に資する新しいルールベースのシミュレーションモデルを開発・公開することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に明らかとなった上皮管構造の形成条件と、本年度に明らかとなった自発的な折り畳み形成の条件を組み合わせることにより、付属肢の成虫原基に見られる折り畳み構造の形成原理の解明にアプローチ可能になると期待できるため、３Dバーテックスモデルを用いた力学シミュレーションによる検討を行う。実際の発生現象に応用することで、組織変形には力学的に基本となる変形モードが存在し、それを生み出す力学的な条件には生物種を超えた共通性があることが推測できると期待される。
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