2017 Fiscal Year Research-status Report
生理学的光合成モデルの制御理論的システム構成と多細胞同期現象の解明
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16K06421
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| Research Institution | Oita University |
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Principal Investigator |
松尾 孝美 大分大学, 理工学部, 教授 (90181700)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
星野 修 茨城大学, 工学部, 教授 (00303016)
末光 治雄 大分大学, 理工学部, 助教 (50162839)
十時 優介 北九州工業高等専門学校, 生産デザイン工学科, 助教 (70643120)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | システム生物学 / 細胞同期 / 概日リズム / 光合成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，CAM型光合成(ベンケイソウ型有機酸代謝)の単細胞生理学的モデル(４次微分方程式系)を制御対象として，周波数・位相制御系設計を非線形制御論の立場から研究してきた．多細胞系の挙動を解析するために，単細胞モデルにKuramotoモデルを適用した同期モデルを用いているが，生理学的な根拠に欠けている．最近，OwenらはVenSimを用いて細胞間炭素フローを考慮したＳＤ(system dynamics)モデルを提案している．本研究では，この結果を応用することにより細胞間の炭素フローを取り入れた生理学的光合成モデルをシステム制御理論を基に構築する．さらに，周波数や位相を光，温度，二酸化炭素濃度によって制御した場合に起きる細胞間同期現象の発生理由を制御理論的観点から解明することを試みている．特に今年度は，細胞同期の仕組に迫るために，実験データとシミュレーションデータの差をうめるための基礎理論に取り組んだ．CO2アナライザとインキュベータで測定できるのは，植物全体の二酸化炭素取り込み量である．このため，細胞単独の内部二酸化炭素濃度を算出することはできず，植物全体の平均化された内部二酸化炭素濃度が推定できるにすぎない．1昨年提案した，維管束による結合モデルを基に，多細胞同期に関して２つの仮説を立て，植物全体の二酸化炭素取り込み量の単細胞二酸化炭素取り込み量の時間遅れ信号の線形和モデルを提案し，実データからの推定を試みた．その意味で，測定が容易な外部二酸化炭素取り込み量から精密モデル内の内部状態やパラメータをどこまで推定できるかをシステム同定の立場から行った．ここでは，慣性項付き勾配法による最適化計算からパラメータ同定を行う手法を提案した．また，マルサス係数を用いた同期状態の判定手法については，基線の正負によりある程度可能であることを確認した．
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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
本研究は，デンプンの細胞間のやりとりを結合要素として，結合の強さにより，多細胞間の同期現象がまだら模様の同期をするメカニズムを非線形解析手法を用いて明らかにすることを目的としている．特に今年度は，細胞同期の仕組に迫るために，実験データとシミュレーションデータの差をうめるための基礎理論に取り組んだ．ただし，同期モデルに基いた周波数制御法および位相シフト法の構築にまでは，至らなかったが，ネットワーク攻撃モデルを植物細胞同期に応用するアイデアを得るとともに，同期パラメータ推定のための慣性項付き最適化手法を提案することができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は，デンプンの細胞間のやりとりを結合要素として，結合の強さにより，多細胞間の同期現象がまだら模様の同期をするメカニズムを非線形解析手法を用いて明らかにする．また，生成されるデンプン量の最大化，消費する二酸化炭素の最大化する周波数制御法，実りの時期をシフトさせる効率的な位相シフト制御法を検討する．
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| Causes of Carryover |
2018年度に開催される南山大学名古屋キャンパスにて開催される自動制御連合講演会および琉球大学で開催される計測自動制御学学会九州支部等での発表旅費の一部に充当する．
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Research Products
(10 results)
