Mathematical analyses for oscillatory behaviors in plants by integrating molecular dynamics and cellular mechanics

• Project Area: Intrinsic periodicity of cellular systems and its modulation as the driving force behind plant development
• Project/Area Number: 19H05678
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 望月 敦史 京都大学, 医生物学研究所, 教授 (10304726)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥99,060,000 (Direct Cost: ¥76,200,000、Indirect Cost: ¥22,860,000); Fiscal Year 2023: ¥19,630,000 (Direct Cost: ¥15,100,000、Indirect Cost: ¥4,530,000); Fiscal Year 2022: ¥19,630,000 (Direct Cost: ¥15,100,000、Indirect Cost: ¥4,530,000); Fiscal Year 2021: ¥19,630,000 (Direct Cost: ¥15,100,000、Indirect Cost: ¥4,530,000); Fiscal Year 2020: ¥19,630,000 (Direct Cost: ¥15,100,000、Indirect Cost: ¥4,530,000); Fiscal Year 2019: ¥20,540,000 (Direct Cost: ¥15,800,000、Indirect Cost: ¥4,740,000)
• Keywords: ネットワーク / 形態形成 / ダイナミクス / 数理モデル / 植物 / 数理解析 / 構造理論 / バイオメカニクス / 数理生物学 / 周期性

Outline of Research at the Start

本計画研究では数理的手法を用い、植物形態形成に対して、(1) 生体分子ダイナミクスと、(2) 細胞メカニクスの２つの階層から、周期性を創出するメカニズムとその変調がもたらす効果の解明に迫る。これまでに開発した構造理論を発展させ、(i) 周期的振る舞いが現れるための生体分子相互作用の条件および、周期性やその変調が器官形態にもたらす効果を数理的に決定する。さらに、これらを用いて、(ii) 領域内の実験グループとの共同研究を推進し、植物形態形成でみられる様々な振動現象のメカニズムを予測検証的に解明する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では数理的手法を用い、植物形態形成に対して、(1) 生体分子ダイナミクスと、(2) 細胞メカニクスの２つの階層から、周期性を創出するメカニズムとその変調がもたらす効果の解明に迫る。これまでに開発した構造理論を発展させ、(i) 周期的振る舞いが現れるための生体分子相互作用の条件および、周期性やその変調が器官形態にもたらす効果を数理的に決定する。さらに、これらを用いて、(ii) 領域内の実験グループとの共同研究を推進し、植物形態形成でみられる様々な振動現象のメカニズムを予測検証的に解明する。
(1) 2020年度は、生体分子相互作用のネットワーク構造から、振る舞いを決定する数理理論「構造理論」について、二つの方向で研究展開を行った。第一に、力学的な振る舞いの多様性の起源となる「分岐」が生じるための条件を、ネットワーク構造から決定する「構造分岐解析」について、一般化を行い、これまでは定常状態分岐のみに適用可能だったものを、振動的な分岐（Hopf分岐など）にも適用できる形式を導いた。第二に、制御ネットワーク構造だけから、力学的に重要な一部の分子を決定する「リンケージロジック」について、巨大なシステムに対しても高速に鍵分子を決定できるアルゴリズムを開発した。
(2) 2020年度は、細胞内ダイナミクスが形態形成に与える影響を解明するための数理モデルの構築を進めた。特に葉の形態制御に関し、塚谷グループとの共同研究を進め、Vertex Modelを用いたモデリングを行った。また、塚谷グループと理論グループの間でミーティングを複数回行い、CTなどの画像データから結球の条件を決めるための議論を進めた。
また、領域内外での数理的手法の普及を目指して、数理生物学の教科書を執筆した。生物現象を解明するための一般的な数理的手法に加えて、上述の構造理論についても詳細に解説している。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

令和二年度においては、新型コロナウイルスの感染拡大により、予定していたほとんどの学会や研究会が、中止、もしくはオンライン開催となった。また、2名のポスドクの雇用を予定して人件費・謝金に大きな予算を充てていたが、優秀な人材を得ることが難しかったため、1名の雇用にとどめた。

Strategy for Future Research Activity

今後については、新型コロナウイルスの感染状況が大きく改善しないうちは、柔軟に状況に対応しながら、計画を進める。また、人が動きにくく、人材が得られにくい状況ではあるが、人的ネットワークを利用して、もう一名のポスドクを確保したい。

Research Products

• [Journal Article] Using linkage logic theory to control dynamics of a gene regulatory network of a chordate embryo (2021)
  • Author(s): Kobayashi Kenji、Maeda Kazuki、Tokuoka Miki、Mochizuki Atsushi、Satou Yutaka
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 4001-4001
  • DOI: 10.1038/s41598-021-83045-y
  • NAID: 120006997057
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 生命システムの振る舞いをネットワークの形だけから予測する (2020)
  • Author(s): 望月敦史
  • Organizer: 生物物理若手の会夏の学校
  • Invited
• [Presentation] 理論とデータの協働によるネットワークシステムの解明 (2020)
  • Author(s): 望月敦史
  • Organizer: 日本数理生物学会年会 大会企画シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 遺伝子ネットワークの構造に基づく細胞運命決定システムの制御 (2020)
  • Author(s): 望月敦史
  • Organizer: 三重大学病理医学セミナー
  • Invited
• [Presentation] 生命システムの振る舞いをネットワークの形だけから決定する (2019)
  • Author(s): 望月敦史
  • Organizer: 応用物理学会・応用電子物性分科会
  • Invited
• [Presentation] 遺伝子ネットワークの構造に基づく細胞運命決定システムの制御 (2019)
  • Author(s): 望月敦史
  • Organizer: 日本蛋白質科学会年会・日本細胞生物学会合同年次大会シンポジウム「染色体のホメオスタティック制御システム」
  • Invited
• [Presentation] 遺伝子ネットワークの構造に基づく細胞運命決定システムの制御 (2019)
  • Author(s): 望月敦史
  • Organizer: 現象数理学研究集会「ネットワーク構造に基づく化学反応システムの挙動解析」
  • Invited
• [Book] 理論生物学概論 (2021)
  • Author(s): 望月 敦史
  • Total Pages: 328
  • Publisher: 共立出版
  • ISBN: 9784320058309
• [Remarks] 数理理論が予測した6つの因子で、92因子を含むホヤの遺伝子ネットワークを完全操作
  • URL: https://www.infront.kyoto-u.ac.jp/achievements/post-6523/
• [Remarks] Complete control of a gene regulatory network
  • URL: https://www.infront.kyoto-u.ac.jp/achievements/post-6523/?lang=en