2014 Fiscal Year Research-status Report
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25540098
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
山村 雅幸 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 教授 (00220442)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | オルガネラ計算 / 糖鎖計算 / DNAコンピューティング / 人工化学 / 人工生命 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
地球生命の基本単位である細胞には原核細胞と真核細胞がある。原核細胞はDNA、タンパク質等の生体分子が単一の膜に包まれた構造を持ち、単細胞生物として環境で生き残ることに特化されている。真核細胞はDNAを保持する核、エネルギー生産を担うミトコンドリア、糖鎖など複雑な分子の工場であるゴルジ体等のオルガネラ（細胞小器官）を持つ。オルガネラは原核細胞の細胞内共生を起源とするとされ、二層の膜による入れ子構造を持つ。多細胞生物において様々な組織に分化する高度な機能を実現している。本研究の目的は、真核細胞において合成生物学的な遺伝子回路の組換え技術によって、オルガネラを用いた機能実現の方法『オルガネラ計算』を提案し、数理解析とシミュレーションによってその計算能力を明らかにすることにある。
具体的には、(1)ゴルジ体における糖鎖の形成と、(2)ミトコンドリアへの人工遺伝子回路の組込みの２種類のオルガネラ計算のそれぞれについて理論的に検討した。(1)細胞内の化学物質の分布、糖転移酵素セットの局在、チェックポイント通過条件などを摂動させ、構築される糖鎖構造の集合が、細胞の識別子として機能しうる精度で形成されるかを調べた。(2)既存の標準的な人工遺伝子回路に移行シグナル等を付したモデル化を行った。同時に、テストベッドとなる人工生命モデルを実装した。
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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
当初計画のうち、糖鎖計算のシミュレーションは終了した。ミトコンドリアについては実験面での困難が明らかとなったため、シミュレーション環境を新たに作り上げる必要があり、新たな人工生命モデルを立ち上げた。新たなシミュレーションモデルはLinuxオペレーティングシステム上で実行可能プログラムとして実装され、進化能を持つ。論文投稿中である。これらからおおむね順調と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)ゴルジ体における糖鎖の形成については、人工化学で反応速度の違いを反映できる確率過程のGillespieの方法によるシミュレータができている。原核細胞の合成生物学において標準的な転写調整による糖鎖形成過程の制御は困難であることが分かった。この方向での展開は難しいと考えられる。(2) ミトコンドリア人工遺伝子回路については、ミトコンドリアの遺伝子組換え技術についてサーベイし、真核細胞における合成生物学的な標準技法になりうるか引き続き検討する。ただし、単一細胞において実現できる機能には限界があることから、チャンネルを通じて分子交換する細胞群による機能形成への発展を検討する。
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| Causes of Carryover |
当初計画では単一細胞における万能計算の実現を目標として理論的検討を重ねてきた。単一細胞内でミトコンドリア等の細胞内小器官が均一に混合された状況は、大腸菌などの単細胞群が試験管内で均一に混合された状況と等価であることがわかった。技術的にもミトコンドリアへの遺伝子組み換えでは挿入できる対象が限定されている。万能計算を実現することは困難であり、検討対象を単細胞から広げる必要があることがわかった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
単細胞において複数のオルガネラが要素機能を果たす状況のもとで、複数の細胞を幾何学的に配置して結合した、一種の多細胞系を構築する。実験技術的には当初計画の範囲を逸脱するため、セルオートマトン・シミュレーションによって計算万能性のデモンストレーションをおこなう。未使用額の用途は平成２７年度の早い時点でシミュレーションに用いる計算機およびソフトウェア開発言語等計算機用消耗品の購入にあてる。
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Research Products
(1 results)
