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2023 Fiscal Year Research-status Report

人工的代謝ネットワークを用いた静止相における細胞代謝ダイナミクスの研究

Research Project

Project/Area Number 22K15069
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

姫岡 優介  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (70903160)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2027-03-31
Keywords代謝 / 動力学モデル / 微分方程式
Outline of Annual Research Achievements

冬眠能力を持つ動物以外の生物に冬眠能力を付与する研究、人工冬眠研究が近年注目を浴びている。
冬眠状態にある生物の組織は代謝活性が低く、また体温も非常に低い状態にある。化学反応系という、温度によって大きく影響を受けるシステムである細胞が、どのようにして低体温・低代謝状態へと安全に遷移し、そしてまた活動再開ができるのかを詳細に理解することは、人工冬眠研究の発展において重要な課題であるといえる。
本研究においては、そのような課題を理解する第一歩として「低温環境において代謝ダイナミクスはどのような影響を受けるのか」を明らかにするために、最も詳細なモデリングがなされている大腸菌の中心代謝経路動力学モデルを用いて解析を行った。
温度の変化が代謝反応に与える影響は大きく分けて2つ存在する。ひとつは酵素の最大反応速度定数といった速度論的変化であり、他方は反応の可逆性といった熱力学的要素の変化である。最大反応速度定数の変化自体は遺伝子発現レベルの変化によって打ち消すことができるため、本研究では反応可逆性の変化の影響のみに着目して解析を行った。具体的には、さまざまな温度環境下において代謝の微分方程式モデルをさまざまな初期値から数値積分し、そのダイナミクスを観察した。
数値解析の結果、至適温度(37℃)ではどのような初期値から数値計算を開始しても代謝系は順調に細胞体の合成を行えることが明らかになった。しかし温度が下がるにつれ、徐々に代謝状態のバランスを崩してしまうような解軌道が確認されるようになった。そのような解軌道においては、いくつかの代謝物質の濃度が極端に低くなり、その一方で別の代謝物質の濃度は際限なく蓄積していく様子が観察された。温度低下によるダイナミクスの質的な変化が、代謝反応系におけるどのような反応に起因するのかを理解するために、現在解析を継続している。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

とりわけ支障なく研究が執り行えたため。

Strategy for Future Research Activity

今後は低温における代謝ネットワークダイナミクスの全体的な解析、そのネットワーク構造と「耐えられる温度の下限」の研究を行う。

Causes of Carryover

多忙であったため、予定していた学会参加の申し込みを行わなかったことによる。繰越分は2024年度の学会参加で使用予定である。

  • Research Products

    (27 results)

All 2024 2023

All Journal Article (2 results) Presentation (24 results) (of which Int'l Joint Research: 10 results,  Invited: 6 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Perturbation-response analysis of<i>in silico</i>metabolic dynamics in nonlinear regime: Hard-coded responsiveness in the cofactors and network sparsity2024

    • Author(s)
      Himeoka Yusuke、Furusawa Chikara
    • Journal Title

      eLife (to be appeared)

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1101/2023.10.18.562862

  • [Journal Article] Evolution of hierarchy and irreversibility in theoretical cell differentiation model2023

    • Author(s)
      Nakamura Yoshiyuki T、Himeoka Yusuke、Saito Nen、Furusawa Chikara
    • Journal Title

      PNAS Nexus

      Volume: 3 Pages: 454

    • DOI

      10.1093/pnasnexus/pgad454

  • [Presentation] Terraced NK model縺ォ縺翫¢繧矩⊆莨晏ュ仙梛縺ョ閾ェ逕ア蠎ヲ縺ィ騾イ蛹夜?溷コヲ縺ョ髢「菫?2024

    • Author(s)
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    • Organizer
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  • [Presentation] 螟ァ閻ク闖御サ」隰晏虚蜉帛ュヲ繝「繝?繝ォ縺ョ諱貞クク諤ァ縺ィ豁サ2024

    • Author(s)
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    • Organizer
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    • Invited
  • [Presentation] 邏ー闖後?ョ莨醍悛迥カ諷九→莉」隰昴ム繧、繝翫Α繧ッ繧ケ縺ョ螳牙ョ壽?ァ2024

    • Author(s)
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    • Organizer
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    • Invited
  • [Presentation] in silico邏ー閭樊ュサ2024

    • Author(s)
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    • Organizer
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  • [Presentation] Quantics繝?繝ウ繧ス繝ォ繝医Ξ繧、繝ウ繧堤畑縺?縺溷渚蠢憺?溷コヲ隲悶?ョ髱樒キ壼ス「蟶ク蠕ョ蛻?譁ケ遞句シ上?ョ隗」豕?2024

    • Author(s)
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    • Organizer
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  • [Presentation] PURE螳滄ィ薙↓蝓コ縺・縺?縺歹PURE繝代Λ繝。繝シ繧ソ縺ョ隱ソ謨エ2024

    • Author(s)
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    • Organizer
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  • [Presentation] Solving differential equations for chemical kinetics using quantics tensor train2024

    • Author(s)
      Rihito Sakurai, Wataru Mizukami, Yuta Mizuno, Yusuke Himeoka, Hiroshi Shinaoka
    • Organizer
      APS March Meeting 2024
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Updating parameters of in silico PURE system model ePURE ) based on experimental observations2024

    • Author(s)
      Shunnosuke Ban, Yusuke Himeoka, Tomoaki Matsuura, Yoshihiro Shimizu, Chikara Furusawa
    • Organizer
      Korea-Japan Joint Workshop of Bottom-up Synthetic Biology
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 繝阪ャ繝医Ρ繝シ繧ッ縺ョ讒矩??縺ィ莉」隰晉憾諷九?ョ諱貞クク諤ァ2023

    • Author(s)
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    • Organizer
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    • Invited
  • [Presentation] Exploring Host-Parasite Networks of Replicating RNA through Computational Simulations2023

    • Author(s)
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    • Organizer
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  • [Presentation] 莉」隰晉ウサ縺ッ鞫ょ虚縺ォ蟇セ縺励※縺ゥ縺?蠢懃ュ斐☆繧九°2023

    • Author(s)
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    • Organizer
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  • [Presentation] 邏ー閭槫??蛻?逕サ縺ヲ繧吝?讌ュ縺吶k蜿榊ソ懊ロ繝?繝医Ρ繝シ繧ッ縺ョ讒矩??2023

    • Author(s)
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    • Organizer
      蟄ヲ陦灘、蛾擠A縲瑚カ?雜雁?蟄舌す繧ケ繝?繝?縲咲ャャ3蝗樣?伜沺莨夊ュー
  • [Presentation] 莉」隰昴ロ繝?繝医Ρ繝シ繧ッ縺ョ讒矩??縺ィ鞫ょ虚縺ク縺ョ蠢懃ュ疲?ァ縺ョ髢「菫?2023

    • Author(s)
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    • Organizer
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  • [Presentation] 莉」隰晏渚蠢懊ム繧、繝翫Α繧ッ繧ケ縺ョ鞫ょ虚窶灘ソ懃ュ秘未菫ゅ→繝阪ャ繝医Ρ繝シ繧ッ讒矩??2023

    • Author(s)
      蟋ォ蟯。蜆ェ莉?, 蜿、貔、蜉?
    • Organizer
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  • [Presentation] Disruption of metabolic homeostasis: Responsiveness due to the cofactor dynamics and network sparsity2023

    • Author(s)
      蟋ォ蟯。蜆ェ莉?, 蜿、貔、蜉?
    • Organizer
      譌・譛ャ逕溽黄迚ゥ逅?蟄ヲ莨夂ャャ61蝗槫ケエ莨?
  • [Presentation] 莉」隰昴?帙Γ繧ェ繧ケ繧ソ繧キ繧ケ縺ョ謫セ荵ア縺ィ繝阪ャ繝医Ρ繝シ繧ッ縺ョ讒矩??縺ョ髢「菫?2023

    • Author(s)
      蟋ォ蟯。蜆ェ莉?, 蜿、貔、蜉?
    • Organizer
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  • [Presentation] Simulating fast and slow chemical kinetics with dynamic mode decomposition2023

    • Author(s)
      Yuta Mizuno, Yosuke Sumiya, Yusuke Himeoka
    • Organizer
      38th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Disruption of metabolic homeostasis: Sensitivity due to the network structure2023

    • Author(s)
      Yusuke HImeoka, Chikara Furusawa
    • Organizer
      Statphys28 Satellite meeting Statistical Physics and Information-Processing in Living Systems
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Emergence of Complex Host-Parasite networks of replicating RNA molecules: A Computational Analysis2023

    • Author(s)
      Kei Nishida, Yusuke Himeoka, Chikara Furusawa
    • Organizer
      Statphys28 Satellite meeting Statistical Physics and Information-Processing in Living Systems
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Disruption of homeostasis and death in kinetic models of Escherichia coli metabolism2023

    • Author(s)
      Yusuke HImeoka, Chikara Furusawa
    • Organizer
      Statphys28
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Structure of catalytic reaction network for specialized compartments evolution2023

    • Author(s)
      Shunsuke Ichii, Yusuke Himeoka, Chikara Furusawa
    • Organizer
      STATPHYS28 Satellite Meeting 窶彜tatistical Physics and Information-Processing in Living Systems窶?
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Solving differential equations for chemical kinetics using quantics tensor train2023

    • Author(s)
      Rihito Sakurai, Wataru Mizukami, Yuta Mizuno, Yusuke Himeoka, Hiroshi Shinaoka
    • Organizer
      Trends in the Theory of Quantum Materials 2023
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Solving differential equations for chemical kinetics using quantics tensor train2023

    • Author(s)
      Rihito Sakurai, Wataru Mizukami, Yuta Mizuno, Yusuke Himeoka, Hiroshi Shinaoka
    • Organizer
      Computational Approaches to Quantum Many-Body Systems
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Perturbation-response analysis of in silico metabolic dynamics: Hard-coded responsiveness in the cofactor and network sparsity2023

    • Author(s)
      Yusuke Himeoka
    • Organizer
      Asia Synthetic Biology Association meeting 2023
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Book] システム生物学入門2023

    • Author(s)
      畠山 哲央、姫岡 優介
    • Total Pages
      288
    • Publisher
      講談社
    • ISBN
      978-4-06-533434-8

URL: 

Published: 2024-12-25  

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