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2017 Fiscal Year Research-status Report

数理モデルによる生体ネットワーク制御手法の開発

Research Project

Project/Area Number 16K00391
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

田村 武幸  京都大学, 化学研究所, 准教授 (00437261)

Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Keywordsブーリアンネットワーク / 遺伝子制御ネットワーク / 代謝ネットワーク / アルゴリズム / NP完全 / 整数計画法 / 定常状態 / unification問題
Outline of Annual Research Achievements

ブーリアンモデルの代謝ネットワークにおいて、現在生成されてしまっている不必要化合物を生成できなくし、かつ、現在生成できていない必要化合物を生成できるようにする問題を考える。ホストネットワーク内において削除する反応の数と、ホストネットワーク外に追加する反応の数の和を最小化して、かつ上述の目的を達成する問題をブーリアン代謝ネットワークの最小修正問題という。本研究ではブーリアン代謝ネットワークの最小修正問題がNP完全問題であることを証明し、かつフィードバック頂点集合と整数計画問題に基づいて高速に解く手法を開発し、IEEE/ACM Transactions of Computational Biology and Bioinformatics 誌より出版した。
また、ブーリアンネットワークの2つの周期的定常状態の区別に必要な最小ノード集合に関する研究も行った。この研究では、観測できるノードが1つの時は周期的定常状態を区別することができないが、観測できるノードが2つの時は周期的定常状態を区別できることを中国剰余定理を用いて証明し、Automatica 誌より出版した。
さらに結合則と交換則が成り立つ際の木構造の unification 問題に対し、変数の数に関する固定パラメータアルゴリズムの設計可能性を各場合について証明し、Theoretical Computer Science 誌より出版した。
上記はいずれも2013年4月~2016年3月における研究課題「ブーリアンモデルによる生体ネットワークの統合的な数理モデル化と解析(25730005)」より継続して本課題においても実施された内容である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ブーリアンモデルの代謝ネットワークの最小修正問題に関しては、当初予定していた複数ネットワークに対してではないものの、1つの代謝ネットワークに対する整数計画法に基づく手法を開発し、IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics 誌より論文を出版できた。
またブーリアンネットワークの定常状態は細胞の種類に対応すると考えられるため、Automatica 誌より出版した論文は、癌治療法の数理モデルの開発の基礎につながると考えられる。
以上より、おおむね順調に進展しているといえる。

Strategy for Future Research Activity

当初の計画では、平成30年度にはブーリアンネットワークによるiPS細胞の数理モデルの研究を予定していた。しかし平成29年度までに、流束均衡モデルによる代謝ネットワークの制御の研究の基礎が進展してきているので、平成30年度には代謝ネットワークによる有用物質生産の研究を行う予定である。

Causes of Carryover

平成29年度はワークステーションを2台買うなど、当初予定額を超えて支出したが、
平成28年度の残額がそれよりも大きかったため、次年度使用額がプラスとなった。

  • Research Products

    (10 results)

All 2017 Other

All Int'l Joint Research (4 results) Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 3 results) Presentation (2 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] Monash University(Australia)

    • Country Name
      Australia
    • Counterpart Institution
      Monash University
  • [Int'l Joint Research] Xi'an Jiaotong University/Beijing Univ. of Chemical Technology(China)

    • Country Name
      China
    • Counterpart Institution
      Xi'an Jiaotong University/Beijing Univ. of Chemical Technology
  • [Int'l Joint Research] The University of Hong Kong(Hong Kong)

    • Country Name
      その他の国・地域
    • Counterpart Institution
      The University of Hong Kong
  • [Int'l Joint Research] Hughes Hall(United Kingdom)

    • Country Name
      United Kingdom
    • Counterpart Institution
      Hughes Hall
  • [Journal Article] Computing Minimum Reaction Modifications in a Boolean Metabolic Network2017

    • Author(s)
      Takeyuki Tamura, Wei Lu, Jiangning Song, Tatsuya Akutsu
    • Journal Title

      IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics

    • DOI

      10.1109/TCBB.2017.2777456

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Discrimination of singleton and periodic attractors in Boolean networks2017

    • Author(s)
      Cheng Xiaoqing、Tamura Takeyuki、Ching Wai-Ki、Akutsu Tatsuya
    • Journal Title

      Automatica

      Volume: 84 Pages: 205~213

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.automatica.2017.07.012

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] On the parameterized complexity of associative and commutative unification2017

    • Author(s)
      Akutsu Tatsuya、Jansson Jesper、Takasu Atsuhiro、Tamura Takeyuki
    • Journal Title

      Theoretical Computer Science

      Volume: 660 Pages: 57~74

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.tcs.2016.11.026

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 有用化合物を生産・増産する代謝ネットワークのデザインの計算2017

    • Author(s)
      田村武幸
    • Organizer
      第117回京都大学化学研究所研究発表会
  • [Presentation] 有用化合物を生産・増産する代謝ネットワークのデザインの計算2017

    • Author(s)
      田村武幸
    • Organizer
      2017年度大腸菌システム生物学研究会
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 田村武幸のページ

    • URL

      http://sunflower.kuicr.kyoto-u.ac.jp/~tamura/

URL: 

Published: 2018-12-17   Modified: 2022-02-22  

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