Development of a multicellular model that can describe the dynamics of arbitrary-shaped cells

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K14424
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Tateno Michio 東京大学, 先端科学技術研究センター, 特任助教 (20868468)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 多細胞シミュレーション / 細胞極性形成 / 反応拡散系 / パターン形成 / 相分離 / Phase field 法 / ブラウン動力学法

Outline of Final Research Achievements

In this study, we accelerate an existing single-cell simulation model using parallel computing, achieving a multscale simulation on the order of 100 cells that encompasses the temporal changes in the intracellular chemical field to the dynamics of cell populations. Additionally, we focus on the mass-conserved reaction-diffusion system, a continuum model for cell polarity formation used in the above multicellular model, and conduct large-scale simulations and theoretical analysis. As a result, we find that the growth rate of the pattern (protein concentration field) is controlled by the curvature of the pattern's interface.

Free Research Field

ソフトマター・生物物理

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

これまでに、細胞を球形、棒、多角形などの要素に近似した数理モデルによって、実験で確認されている力学波、ジャミング、トポロジー欠陥といった細胞集団の振る舞いが個別に再現されている。任意変形可能な多細胞モデルは、これらの知見を包括的に理解する上で重要な役割を果たすものと期待される。また、細胞極性形成の連続体モデルに関する研究結果は、エネルギー変分を前提としない反応拡散系であっても、質量保存則という条件の下で界面張力に似た量が非自明に現れる例を示しており、このことは化学反応により駆動される分子の自己組織化の理解に新たな視点を提供するものと考えられる。