2019 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, 工学研究科, 教授 (80442929)
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| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 形態形成 / 多細胞力学 / シミュレーション / 成虫原基 / 折り畳み / 上皮組織 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和元年度においては、まず、平面状の上皮組織から自律的に折り畳み構造が生じる力学的原理を解明するため、上皮組織の多細胞力学シミュレーションにより、細胞増殖による変形の駆動と、周囲組織による変形の拘束が、折り畳み形成に果たす役割を検討した。その結果、面外変形の拘束の強さは、折り畳み構造のしわ間隔を決定することがわかった。力学的エネルギーの観点から考察を行い、上皮組織の曲げのエネルギーと、面外変形の拘束のエネルギーはトレードオフの関係にあること、二つのエネルギーのバランスから、最小エネルギー形状として折り畳み構造のしわ間隔が決定されることがわかった。また、細胞分裂軸の配向は、折り畳み構造のしわの方向性を決定することがわかった。これを査読付き国際英文誌に成果発表した。
次に、折り畳み構造をもつ上皮組織として、昆虫の成虫原基を対象に、折り畳み構造の展開によって形成される三次元形状の検討を行った。昆虫は、幼虫から蛹になるときに、成虫原基を膨らませて展開することで、肢や角などの外骨格形状を形成する。
折り畳み構造の展開シミュレーションの結果、展開後に得られる三次元形状を作る仕組みの一つとして、折り畳み構造のしわの方向性が重要であることがわかった。また、展開前後の形状の対応関係には、ガウス曲率の不変性に関する数学的な定理が関連する可能性が示唆された。本研究により、折り畳み構造の形成の力学的原理の一つとして、周囲組織による成虫原基の面外変形の拘束が折り畳み構造を形成し、原基を構成する細胞の分裂方向が折り畳みの方向性を決定すること、更に、その折り畳みの方向性と三次元形状との関係の一端が明らかとなった。これらの知見は、昆虫の外骨格形成メカニズムの解明に向けた今後の研究に対し、力学的な視点から示唆を与えるものであり、加えて、工学的にも新規な展開構造物の設計理論の起点となることが期待される。
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| Research Progress Status |
令和元年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元年度が最終年度であるため、記入しない。
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