2020 Fiscal Year Research-status Report
Creation of multilevel model for predicting self-organization of bacterial population
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19K03645
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
田崎 創平 京都大学, 高等研究院, 特定助教 (50713020)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 枯草菌 / コロニーパターン / バイオフィルム / ライフサイクル / 数理モデル / 遺伝子制御ネットワーク / マルチレベルモデル / データ同化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
細菌集団の自己組織化のマルチレベル数理モデルを求めて、一細胞の状態制御、細胞集団動力学、細胞密度場、という3つのレベルの数理モデルを構築し、そしてそれらを結ぶマルチレベルモデリングの方法論を構築することを目指している。異なる細胞状態の制御が関わっていて、かつマクロな秩序形成と密接に結びついているものとして、細菌バイオフィルムのライフサイクル生成を研究した。このライフサイクルの本質をもつ単純なモデルとして、枯草菌の同心円状コロニーの形成を調べた。枯草菌は多様な細胞タイプを取ることができるが、その中でも、運動タイプと基質産生タイプがコロニー構築において交互に支配的になり、ライフサイクルが生成される。そこで本研究では、特にこれらの細胞タイプ間の制御と関連する遺伝子群の制御ネットワークおよびそのダイナミクスを記述する数理モデルを構築していた。培養実験と合わせて、細胞集団の状態制御の数理モデルを構築し、数値的および数学的な解析を行った。これにより、ライフサイクルの生成の有力なメカニズムを提示し、論文2本にまとめた（投稿中）。今年度はさらに、マルチレベルアプローチとして、細胞レベルと組織レベルをつなぐ、新しい枠組みの数理モデルを構築した。前年度にも、枯草菌コロニーの形態形成を統一的に記述する数理モデルを試作していたが、この枠組みの確立によって、より広いクラスのコロニーパターン形成を包括的に再現できるようになった。
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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
本研究課題の本質的な点を集約した研究対象である、バイオフィルムのライフサイクル生成、そしてその単純モデルである同心円状コロニー形成の問題が論文2本にまとめられた（投稿中）。さらに、本研究課題の第一目標であり、かつ難しい問題であるマルチレベルな数理モデリングにおいて、細胞レベルと組織レベルをつなぐ新しいモデルフレームワークの構築に成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
細胞レベルと組織レベルをつなぐマルチレベルモデル法を構築できたが、その応用範囲の広さは計り知れない。まずは枯草菌コロニーを中心に、構築したモデルによるシミュレーションを行い、モデルと数値計算法の検証を行う。さらに、マルチレベルモデルのフレームワークの数学的・理論的な解析を進め、多細胞組織の表現性能について調べる。これにより、不均一な細胞集団のマルチレベルモデリングの理論について整備を進める。前年度は枯草菌コロニー形成の未解決問題、特に同心円状コロニー形成機構の解明について研究発表を多数行なったが、今年度は3個の環境パラメータによる統一的なコロニー形態図の作成にも着手する。
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| Causes of Carryover |
今年度は出張はすべてなくなり、旅費の使用はゼロとなった。また、テレワークによる解析研究が主となったため、消耗品費も激減した。次年度は投稿中論文の2本を含めた論文投稿料や、延期した実験計画および開発した数理モデルのための新規実験計画の実施による消耗品費・備品費で使用する。
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Research Products
(6 results)
