コントローラブルな生物リズム・パターンの創成

• Project Area: Science of Soft Robot: interdisciplinary integration of mechatronics, material science, and bio-computing
• Project/Area Number: 18H05474
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 伊藤 浩史 九州大学, 芸術工学研究院, 准教授 (20512627)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 杉 拓磨 広島大学, 統合生命科学研究科(理), 准教授 (70571305) ; 永井 健 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 講師 (40518932)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥97,500,000 (Direct Cost: ¥75,000,000、Indirect Cost: ¥22,500,000); Fiscal Year 2022: ¥15,340,000 (Direct Cost: ¥11,800,000、Indirect Cost: ¥3,540,000); Fiscal Year 2021: ¥15,340,000 (Direct Cost: ¥11,800,000、Indirect Cost: ¥3,540,000); Fiscal Year 2020: ¥15,340,000 (Direct Cost: ¥11,800,000、Indirect Cost: ¥3,540,000); Fiscal Year 2019: ¥24,960,000 (Direct Cost: ¥19,200,000、Indirect Cost: ¥5,760,000); Fiscal Year 2018: ¥26,520,000 (Direct Cost: ¥20,400,000、Indirect Cost: ¥6,120,000)
• Keywords: ソフトロボット / 線虫 / シアノバクテリア / コントロール / 集団運動 / リズム / 植物 / 蚕 / ケンサキイカ / 概日リズム / 生物リズム / 生物パターン

Outline of Annual Research Achievements

コントローラブルな生物リズム・パターン現象の創成のためとして以下の取り組みをおこなった。
１．植物概日リズムの測定系の構築を行った。植物の概日時計はシロイヌナズナを形質転換し生物発光による測定が簡便であるが、それ以外の生物では困難である。我々のグループでは、パーティクルボンバードメントによって、生物発光遺伝子を導入し、野外の生物の概日リズムを測定する系の構築に挑戦した。低温下の植物の応答に関して情報収集を行った。パーティクルボンバードメント法は、モデル生物でなくても適用可能であり、植物の様々な生物種に適用できることが期待できる。
2.ケンサキイカの色素胞の電気刺激による拡大縮小応答をレザバー計算としてみなす取り組みを行った。ケンサキイカ表皮にある色素胞とよばれる細胞電気によって色素顆粒が入った袋を拡大縮小することが知られている。そこで、日本語音声を電気刺激にかえ、細胞に与えたところ、与えられた音声に応じた応答が見られた。これをレザバー計算とみなし、リッジ回帰によって時系列画像から音声を取り出すリードアウトの設計に成功した。すなわち、イカ色素胞のダイナミクスを利用した音声識別器の作成に成功した。
3.蚕の平面吐糸現象の解析を行った。蚕は平面上の板に置かれると、繭を作るのではなく平面に糸をしきつめる。蚕はどのようなアルゴリズムで動き、均一な糸による面の作成が可能なのか、動画解析によって明らかにした。ソフトロボット学の観点からは、蚕は首をふることで自律的に絹糸の面をつくるロボットとみなすことができる。
4.線虫集団は特異な条件下では、活性化状態の素早い伝播がおこり回転運動を示すことを明らかにした。

Current Status of Research Progress

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

Reason

今年度は、様々な生物種の生物リズム現象の解析に着手することができた。特にこれまであまり生物学では解析の対象となってこなかった、野外の植物、蚕、イカといった非モデル生物のリズム現象の解析に成功した。またこれらのリズム現象から、ソフトロボット学への応用可能な数理を抽出に成功しており、より広い生物への適用が期待できる。

Strategy for Future Research Activity

今年度の成果は、以下のような今後の研究の推進方策につながる。
1.キスゲやハマカンゾウといった近縁種であるが開花時刻が異なる植物が存在する。こうした花の開花時刻がどのように制御されているのか、リズム制御の観点からアプローチを試みる。
2.イカ色素胞の色情報をより効果的に利用することによって、音声識別機能を強化する。
3.蚕の精密なトラッキングによって蚕行動の精密な数理モデルを作成する。特に首振り運動をどのようなタイミングでおこなうことによって、さまざまな基盤図形に対応した平面吐糸を可能とするのかを調べる。
4.線虫の回転運動メカニズムに関して、数理モデルを作成する。線虫集団が対称性をやぶって回転運動を生み出す仕組みを明らかにする。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Universite Grenoble Alpes(フランス)
• [Int'l Joint Research] Universite Grenoble Alpes(フランス)
• [Journal Article] Damped circadian oscillation in the absence of KaiA in Synechococcus (2020)
  • Author(s): Kawamoto Naohiro、Ito Hiroshi、Tokuda Isao T.、Iwasaki Hideo
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Issue: 1 Pages: 2242-2242
  • DOI: 10.1038/s41467-020-16087-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 個体集団が生み出す動的秩序～線虫の集団運動に よる動的ネットワーク形成 (2020)
  • Author(s): 杉拓磨 伊藤浩史 永井健
  • Journal Title: 生物物理 Volume: 60 Pages: 6-12
  • NAID: 130007790196
• [Journal Article] C. elegans collectively forms dynamical networks (2019)
  • Author(s): Sugi Takuma、Ito Hiroshi、Nishimura Masaki、Nagai Ken H.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 10 Issue: 1 Pages: 683-683
  • DOI: 10.1038/s41467-019-08537-y
  • NAID: 120006558249
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 生物リズム・パターンのソフトロボティクスへの応用 (2019)
  • Author(s): 伊藤浩史 杉拓磨 永井健
  • Journal Title: 日本機械学会誌 Volume: 122 Pages: 32-34
• [Presentation] Frequency-Amplitude relation in circadian rhythm (2020)
  • Author(s): Tetsuhiro Hataekyama, Irina Miahlcescu, Hiroshi Ito
  • Organizer: 日本時間生物学会
• [Presentation] 概日リズムの３要素を関係づける (2020)
  • Author(s): 伊藤浩史
  • Organizer: 九州山口沖縄リズム研究会
• [Presentation] 体内時計を冷やす (2020)
  • Author(s): 伊藤浩史
  • Organizer: MIMS 現象と数理モデル
• [Presentation] 生物リズム・パターンの制御 (2019)
  • Author(s): 伊藤浩史, 杉拓磨, 永井健
  • Organizer: 自律分散シンポジウム
• [Presentation] たよりないものをあつめてたよりがいのあるものを作る (2019)
  • Author(s): 伊藤浩史
  • Organizer: 共創学会
• [Presentation] Reconstitution of biological rhythms and pattern with living matter (2019)
  • Author(s): Hiroshi Ito, Takuma Suigi, Ken H Nagai
  • Organizer: Robo Soft
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Individual cyanobacterial circadian rhythms under low temperature conditions (2019)
  • Author(s): Hiroshi Ito
  • Organizer: European Biological Rhythms Society Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 理論は実験のガイドになる (2019)
  • Author(s): 伊藤浩史
  • Organizer: 時間生物学会
• [Presentation] Reconstituted cyanobacterial circadian clock in cold conditions (2019)
  • Author(s): Hiroshi Ito
  • Organizer: Malaysia International Genetics Congress
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 振幅からみた時間生物学 (2018)
  • Author(s): 伊藤浩史
  • Organizer: 時間生物学会
• [Remarks] 伊藤浩史研究室
  • URL: http://www.design.kyushu-u.ac.jp/~hito/
• [Remarks] 杉拓磨ホームページ
  • URL: http://takumasugi.com/
• [Remarks] 永井健ホームページ
  • URL: https://www.jaist.ac.jp/areas/bb/laboratory/nagai.html