2013 Fiscal Year Annual Research Report

力学－生化学連成から創発する形態形成ダイナミクスの数理モデリング

Publicly Offered Research

Project Area	From molecules, cells to organs : trans-hierarchical logic for higher-order pattern and structures
Project/Area Number	25127707
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
Research Institution	Kyoto University
Principal Investigator	井上康博京都大学, 再生医科学研究所, 准教授 (80442929)
Project Period (FY)	2013-04-01 – 2015-03-31
Keywords	力学－生化学連成 / 形態形成 / 組織立体構造
Research Abstract	本課題では、形態形成における階層を超えた秩序形成ロジックを理解するために、力学－生化学連成に着目し、形態形成素過程における力学的、生化学的な場の形成素過程と分子・細胞動態との相互作用、そこから創発する組織階層のダイナミックな形状変化との関連について解析する数理モデルの構築を目指している。また、力学の観点から形態形成を捉え直すことにより、純粋に力学的な記述が可能である組織変形と力学－生化学連成が重要である組織変形とを分類・対比し、純粋な力学を超えて力学－生化学連成によってどのような特徴を有する組織変形の動態が可能となるのかを明確に理解することを目指している。本研究代表者らは、これまでに、形態形成に見られる組織変形を細胞の力学的挙動から解析できる数理モデル(RNRモデル)を構築してきた。本年度は、組織スケールに渡る生化学因子の反応拡散現象を細胞個々が見える空間精度で数理モデル化を行い、力学的な組織変形を細胞レベルから表すRNRモデルと連成した。生化学因子として、細胞増殖因子を対象に、シミュレーションを行い、細胞増殖因子にトリガーされて成長する組織形状の変化を解析した。その結果、生化学因子の発生源（シグナリングセンター）を起点に形成される濃度パターンの２次元空間情報は、細胞増殖による細胞圧縮力として組織内に作用し、結果、組織の面外変形を起こすこと、すなわち、力学－生化学連成により、３次元的な組織立体構造に変換されることを示すことができた。さらに、力学的観点から、組織立体構造の形成過程について、細胞が能動的に発生する力と組織形成との関連について焦点を絞り、検討した。その結果、発生する力の空間パターンが、形成される組織立体構造に極めて重要であることがわかってきた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 初年度の計画に沿って、細胞レベルの力学－生化学連成について、拡散性生化学因子を対象に、数理モデル化を行った。本数理モデルによるシミュレーションにより、生化学的な２次元場の情報から、力学－生化学連成によって、力学的素過程を経て、３次元的な組織立体構造に変換されることを示す成果を得た。
Strategy for Future Research Activity	今後は、初年度の力学的観点からの研究により得られた立体構造構築の知見から、力学的ロジックの抽出を行う。また、、力学的な場と生化学的な場が互いに変調する仕組みを明確にするために、シンプルな組織形状を起点としたシミュレーションを行い、力学－生化学連成の役割について検討を行う。