2019 Fiscal Year Annual Research Report
Mathematical analyses for oscillatory behaviors in plants by integrating molecular dynamics and cellular mechanics
| Project Area | Intrinsic periodicity of cellular systems and its modulation as the driving force behind plant development |
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| Project/Area Number |
19H05678
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
望月 敦史 京都大学, ウイルス・再生医科学研究所, 教授 (10304726)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 数理モデル / ダイナミクス / ネットワーク / 構造理論 / バイオメカニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では数理的手法を用い、植物形態形成に対して、(1) 生体分子ダイナミクスと、(2) 細胞メカニクスの２つの階層から、周期性を創出するメカニズムとその変調がもたらす効果の解明に迫る。これまでに開発した構造理論を発展させ、(i) 周期的振る舞いが現れるための生体分子相互作用の条件および、周期性やその変調が器官形態にもたらす効果を数理的に決定する。さらに、これらを用いて、(ii) 領域内の実験グループとの共同研究を推進し、植物形態形成でみられる様々な振動現象のメカニズムを予測検証的に解明する。具体的な課題解決に加え、領域内の共同研究のハブを務めることで、領域研究の目標達成に努める。理論と実験の組み合わせから機構解明を行う方法論を構築する。
本年度においては、理論の改良と展開を進め、植物周期動態の解明に向けた道具立ての構築を目指している。これまでに生体分子相互作用のネットワーク構造から、振る舞いを決定する数理理論「構造理論」を構築してきた。特に力学的な振る舞いの多様性の起源となる「分岐」が生じるための条件を、ネットワーク構造から決定する「構造分岐解析」を開発した。この理論を発展させ周期振動など任意の力学挙動に適用できるよう拡張を試みている。これにより、振動が生じるための相互作用の条件を決定する一般的方法を確立したい。
また周期的挙動が形態形成に与える影響を解明するための数理モデルの構築を進めている。具体的には、細胞間の力学的相互作用および分泌因子による相互作用を取り込んだ数理モデルを構築し、分裂頻度や細胞形態などの細胞レベルの振る舞いにおける周期性や同期性が変調する際の器官レベルの形態形成への影響を解析する。特に植物の組織や器官形態形成に現れる複数の周期的挙動の間の因果関係や結合関係を明らかにし、細胞挙動を素過程とする周期性創出のメカニズムを解明したい。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初予算では、令和元年度に計算機の購入を予定していたが、購入予定時期のしばらく後に新型のCPUが発売される情報を得たため、令和二年度に繰り越して該当製品の購入を進めた。また、当初、2名のポスドクの雇用を予定して人件費・謝金に大きな予算を充てていたが、優秀な人材を得ることが難しかったため、1名の雇用にとどめた。
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| Strategy for Future Research Activity |
強力な計算機を導入したことにより、数理モデルの数値計算を高速に進めることができる。また、人材については、新型コロナウイルスの感染状況が大きく改善しないうちは、柔軟に状況に対応しながら、計画を進める。人が動きにくく、人材が得られにくい状況ではあるが、人的ネットワークを利用して、もう一名のポスドクを確保したいと考えている。
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