2021 Fiscal Year Annual Research Report
Distribution-based design of stochastic response in biomolecular systems
| Project/Area Number |
21H01355
|
|---|
| Allocation Type | Single-year Grants |
|---|
| Research Institution | Keio University |
|---|
Principal Investigator |
堀 豊 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (10778591)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮廻 裕樹 東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 助教 (40881206)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
|
| Keywords | 生体分子システム / 確率システム / マイクロ流路 / 数理最適化 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，確率的な揺らぎを有する生体分子システムの「応答分布」を解析・設計するためのシステム論的な基礎理論の構築を進め，その実証実験のために必要なマイクロ流体実験系の構築，および動作検証を行った．
基礎理論の構築では，まず，生体分子システムの応答分布を解析・設計するツールの開発を念頭に，定常状態におけるシステムの揺らぎを評価するための統計的な指標を定義し，シミュレーションによりそれらの指標が解析や設計に有用であることを確認した．その後，それらの指標を数理最適化を用いて系統的に計算するためのアルゴリズムを構築し，提案アルゴリズムを人工生体分子システムの解析・設計問題へと応用することで，数値例を通して提案法の理論的な妥当性や有用性を確認した．さらに，その過程で得られた知見をもとに提案アルゴリズムを計算量の面で改良した．
実験系の構築では，生体分子システムの応答を観察するために，様々な周波数や濃度の化学的な入力をシステムに印加し，その入出力応答を経時観察するためのマイクロ流体デバイスを構築した．具体的には，電気回路と流体のアナロジーを利用して，電気回路におけるD/A変換に対応する機構をマイクロ流体デバイスに実装し，既存のデバイスに比べ高速かつ正確な入力生成を実現できることを実証した．さらに，電気回路とのアナロジーを用いてデバイスの高速化や精度向上につながる理論的な考察を行うことができ，系統的なデバイスの改良が可能になった．また，理論の実証実験に利用するための遺伝子組み換え大腸菌や酵素反応系に関する基礎データを得た．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
理論の構築においては，生体分システムの応答分布を解析・設計する問題に対して，当初想定していたアプローチで数理最適化の定式化を完了することができた．さらに，数値例題により提案法を検証する過程で，提案法の弱点であった計算量の問題を一定度改善することができた点は当初の計画を越える進捗であった．
実験系の構築においては，当初計画していたデバイスの設計と検証に加え，その改善（高速化や精度向上）につながる重要な理論的知見を得ることができ，さらにそれを実験で検証することができた．
|
| Strategy for Future Research Activity |
今後は，揺らぎの過渡特性の解析・設計のための統計的な指標を導入し，提案した数理最適化アルゴリズムを過渡分布応答の解析・設計問題に適用できるように拡張を行う．また，入出力応答を計測するための細胞培養デバイスの構築を進め，マウス筋芽細胞(C2C12)を用いてデバイスの動作検証を行う予定である．
さらに，本年度得られた分布設計に関する基礎理論，および設計したマイクロ流体デバイスに関する研究成果を学術論文としてとりまとめる．
|
