2012 Fiscal Year Annual Research Report
Constructing a theoretical framework to study reaction networks involving a small number of molecules: modeling with consideration of minority and hierarchy
| Project Area | Spying minority in biological phenomena -Toward bridging dynamics between individual and ensemble processes- |
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| Project/Area Number |
23115007
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
冨樫 祐一 神戸大学, システム情報学研究科, 講師 (50456919)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小松崎 民樹 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (30270549)
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| Project Period (FY) |
2011-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 生物物理学 / 情報幾何学 / 生体高分子 / 反応拡散系 / 複雑ネットワーク / Dynamic Disorder / １分子時系列解析 / 数理モデル化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度に引き続き、少数分子反応ネットワーク理論の拡張、１分子動態解析のための理論構築を進めるとともに、領域内の研究者との議論を通じ検証実験の方策を検討した。
化学反応に加え、多くの分子機械や分子複合体においては、内部の少数個のユニット間での協調動作が重要である。その基盤となる力学的情報伝達の理解のため、粗視化モデルを用いた評価を進めてきた。本年度はこれをアクチン分子に適用し、既に共同で解析を進めていた構造計測（FRET）実験の結果とあわせ検討を行った。
また、少数性生物学に関するあらゆる計測は、データを解釈する以前の問題として、S/N比が悪く、データの解釈に解析上のアーティファクトが現れる危険性があるため、それを克服するための方法論の整備を行ってきた。本年度は、蛍光強度と色素分子間距離のFoerster関係式のように、観測量と計測したい物理量の間には一般に非線形関係が存在するため、ノイズの非線形性を考慮に入れ、観測量から背後に存在する物理量の任意の関数を不偏推定する解析理論を開発した。複数の少数個の輝点から構成されるイメージング動態から背後に存在する階層的相関を評価するための理論整備を行った。このほかでは、細胞シグナル伝達におけるEGFRとGrb2の分子間相互作用の一分子計測の理論解析を行い、背後に存在する階層的な反応ネットワークを抽出し、記憶を保持する状態（反応経路）と記憶を忘れる状態（反応経路）の存在を明らかにした。
加えて、１分子計測と関係した新たな試みとして、細胞内などにおける分子・粒子の拡散時系列から、化学反応と関係した非熱的ゆらぎを評価する手法を構成し、計測・解析に課される条件を明らかにした。べん毛モーターにおけるサブユニット間の協調動作について、本手法を用いた回転時系列の解析と、粗視化モデルによるシミュレーションの両面から検討を始めた。
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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
初年度においては、研究員の採用に予定より時間を要するなどいくつかの問題が生じたが、本年度に入りこれらの問題も解決した。本研究課題単独での研究は、大きな問題を生ずることなく進展した。実験との連携においては、当初の計画の見直しが必要となった部分もある半面、本年度より加わった公募班（公募A02曽和班ほか）との間で、新たな共同研究の企画が進んだ。当初計画の目的に沿いつつ、理論のより具体的な応用例となり得るもので、予備実験の段階ではあるが結果が出始めている。そのため、全体としては上記の評価とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
本課題、また領域全体の研究の推進のため、直近では、これまでに展開した理論・解析技術の領域内の実験への応用を進めることが最優先となる。当初計画に加え、前年度からA02-2前島班と、本年度は公募A02曽和班との共同研究を開始したが、今後も密な連絡を取りつつ研究を進める。
１分子実験との連携においては、任意の尤度関数をもつ推定量から構成される任意の関数の不偏推定法を用いて、A01-1野地班が計測する大腸菌内のATP濃度分布の不偏推定を行い、代謝ネットワーク系の数理モデル化を考察する。また、複数の少数個の輝点から構成されるイメージング動態から背後に存在する階層的相関（超コヒーレンス）の解析を検討する。
これに加え、主に反応ネットワーク理論の構成的実証の観点から、公募班の実験との新たな連携を探る。但し、本課題に携わる研究者の人数に比して、取り組むべき小課題が増えつつあるため、優先順位を考慮するとともに、公募A03班の理論研究者（粟津・石原ら）との連携を活かし、協力して解決に当たる。
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