Creation of multilevel model for predicting self-organization of bacterial population

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K03645
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 12040:Applied mathematics and statistics-related
• Research Institution: Hokkaido University (2021-2023); Kyoto University (2019-2020)
• Principal Investigator: Tasaki Sohei 北海道大学, 理学研究院, 准教授 (50713020)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 枯草菌 / コロニーパターン / 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 / 細胞分化 / フェーズフィールドモデル

Outline of Final Research Achievements

The purpose of this study is to create a system of multilevel mathematical models to elucidate the mechanism of self-organization of bacterial population morphology. As a result, we were able to construct two types of multi-level modeling methods. The first is a hybrid mathematical model in which cells are individual cells in the form of spheres or capsules (spherocylinders) and other environmental variables are fields described by continuous functions in space and time. This model has a large number of degrees of freedom, and therefore, for many research subjects, it is desirable to simplify the mathematical model. Therefore, we constructed another modeling method, a multi-phase model based on self-density signals. This model is simpler than the first one and thus allows for mathematical analyses, which is also useful to elucidate the bifurcation structures of the colony morphology.

Free Research Field

応用数学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

多様な要素（細胞）の集団に対する、複数階層を連動させる数理モデルアプローチの例は少ない。それはそのようなマルチレベルな数理モデルの構成方法や取り扱いが難しいからである。しかし生命現象はマルチレベルな構造をしている。複雑な個々の要素のダイナミクスから逃げずに新規モデル化手法を開発することは、一細胞解析の次世代の生命科学を切り拓くのに欠かせない。これは基礎的な細胞生物学や医学のみならず、村落や都市の形成、人間社会形成など、あらゆる自己組織化現象の解析を革新させるものである。そして、開発された数式は既存の数理モデルの枠組みを超えており、さらなる数学理論の発展も期待される。