2018 Fiscal Year Annual Research Report
System modeling of biological photo synthesis and syncronization detection of cell coupling from the view point of control theory
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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, 理工学研究科(工学野), 教授 (00303016)
末光 治雄 大分大学, 理工学部, 助教 (50162839)
十時 優介 大分工業高等専門学校, 情報工学科, 講師 (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．さらに，細胞間同期現象を解明するために，デンプン・ショ糖の輸送現象モデルをCAM光合成モデルに追加したショ糖ホメオスタシスモデルを提案した．
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