2015 Fiscal Year Annual Research Report
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15H05746
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
金子 邦彦 東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (30177513)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
古澤 力 国立研究開発法人理化学研究所, 生命システム研究センター, チームリーダー (00372631)
若本 祐一 東京大学, 大学院総合文化研究科, 准教授 (30517884)
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| Project Period (FY) |
2015-05-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 生命現象の物理 / 進化 / マクロ状態論 / １細胞計測 / ゆらぎ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生命システムを考える上で、可塑性と頑健性は欠かせない概念である。細胞は環境変動に対して、その内部状態を変化させて適応する。その状態は様々なノイズやゲノム変異に対しても、ある程度の頑健性を持つ。本研究では、理論と実験が密に連携することにより、この可塑性と頑強性（ロバストネス）の定量的法則を抽出する。実験側では、環境変化への適応・進化の過程において、細胞の内部状態（遺伝子発現量・ゲノム配列など）の動態と揺らぎを定量し、そこから細胞の可塑性とロバストネスを表現するマクロ量を抽出する。一方で、力学系・確率過程の理論を基盤とした細胞の適応と進化のシミュレーションを行い、増殖する細胞システムにおける普遍的性質を抽出する。その結果、適応・進化といった異なる時間スケールでの細胞状態変化において、遺伝子発現の変化、ゆらぎがみたす一般法則を理論化し、それにより可塑性とロバストネスを記述する、系の詳細に依らないマクロ状態論を構築する。
平成27年度の主要な結果は以下のとおりである。
(1) ラボオートメーションを用いた、多環境・多系列の大腸菌進化実験を可能とする系を構築した。酸・アルカリ・抗生物質など、100種類以上のストレス因子を選択し、それらを用いた進化実験が進行中である。
(2) 大腸菌の1細胞計測系を用いて、表現型の揺らぎが集団としての増殖速度にどのような影響を与えるかを定式化することに成功した。
(3) 抗生物質投与下での大腸菌の長期1細胞計測をおこない、表現型レベルで薬剤に順応する細胞系列が生じることを明らかにした。
(4) 細胞シミュレーションを用い、高次元のダイナミクスを持つ表現型が、進化過程を経ることにより低次元の状態空間に拘束されることを見出し、実験データとの対応を解析した。また、少数自由度で進化をあらわす現象論、細胞成長―休眠―死の状態変化をとらえるモデルの構築を進めた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
多環境での進化実験、1細胞計測系での揺らぎ計測、細胞シミュレーションとそれぞれ成果が得られており、今後の展開のための大きな基盤ができたと考えている。これは１年目としては計画を上回るものであり、すでに実験結果を含む論文も複数、出版されている。
また理論では、進化が少数自由度で記述されるとした場合の現象論、構築に成功し、今後の基盤を与えた。
さらに、細胞における熱力学的効率の関係を求めるために、酵素量の振動による効率上昇を示した。さらに細胞の成長、休眠、死の状態転移をおこすモデルを構築し、その仕組みをあきらかにしつつある。これは相転移を含む細胞の状態論への第一歩である。
また、細胞レベルだけでなく、分子―細胞―多細胞生物の階層にまたがるモデルを調べ、階層進化系のもつ普遍的性質の理論研究を進めた。具体的には（i）要素の進化と集団の進化に相反的性質がある場合の振動進化現象の発見とその解明(ii)細胞分化、役割分業による集団成長の発見とそのメカニズムの解明、そしてそれに基づく多細胞生物システムの普遍的性質への示唆(iii)シミュレーションによる進化と発生の対応関係の発見とその機構の解明、である。これらは、計画以上の結果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
以下の３つの方向で解析を行う。
(1) 大腸菌の１細胞計測系を用いて、環境適応過程の遺伝子発現量と分裂時間の揺らぎを計測し、揺らぎに基づく表現型適応のメカニズムを明らかにする。
(2) 進化過程における遺伝子発現量とゲノム配列の変化を網羅的に定量し、その大自由度データから進化過程を記述できる少数自由度の抽出を行う。また、これらの解析によって得られた遺伝子発現量やゲノム配列などのミクロレベルでの状態記述から、マクロレベルでの状態量が切り出し、それに基づき表現型の可塑性とロバストネスを定量的に表現する。細胞シミュレーションを援用しつつ、こうしたマクロ状態量を用いて適応・進化といった様々な時間スケールでの細胞状態変化を記述する。
(3)実験とシミュレーションを踏まえて、それらを包括的に表す、系の詳細に依らない、細胞の状態論を構築する。一つは進化による適応を表現する現象論であり、もう一つは成長、休眠、死の「相」転移をあらわす状態方程式の構築である。
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[Journal Article] Bacterial autoimmunity due to a restriction-modification system2016
Author(s)
Pleska, M., Qian, L., Okura, R., Bergmiller, T., Wakamoto, Y., Kussell, E., Guet, C. C.
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Journal Title
Current Biology
Volume: 26
Pages: 404-409
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] Multi-level Evolutionary Dynamics2015
Author(s)
Kunihiko Kaneko
Organizer
Winter School on Quantitative Systems Biology 2015
Place of Presentation
International Centre for Theoretical Sciences （バンガロール、インド）
Year and Date
2015-12-07 – 2015-12-19
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] The origin of genes by spontaneous symmetry breaking2015
Author(s)
Nobuto Takeuchi
Organizer
Re-conceptualizing the Origin of Life: Experimental; Interdisciplinary; and Computational Windows on the Core Concepts;
Place of Presentation
Carnegie Institution for Science (Washington DC, USA)
Year and Date
2015-11-09 – 2015-11-13
Int'l Joint Research / Invited
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