生物の面構造を作る折り畳みと展開の力学

• Project Area: Material properties determine body shapes and their constructions
• Project/Area Number: 20H05947
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 井上 康博 京都大学, 工学研究科, 教授 (80442929)
• Project Period (FY): 2020-11-19 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥64,870,000 (Direct Cost: ¥49,900,000、Indirect Cost: ¥14,970,000); Fiscal Year 2024: ¥13,780,000 (Direct Cost: ¥10,600,000、Indirect Cost: ¥3,180,000); Fiscal Year 2023: ¥13,780,000 (Direct Cost: ¥10,600,000、Indirect Cost: ¥3,180,000); Fiscal Year 2022: ¥13,780,000 (Direct Cost: ¥10,600,000、Indirect Cost: ¥3,180,000); Fiscal Year 2021: ¥13,130,000 (Direct Cost: ¥10,100,000、Indirect Cost: ¥3,030,000); Fiscal Year 2020: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000)
• Keywords: 多細胞力学シミュレーション / 折り畳みと展開 / 生物の面構造 / 計算力学 / 生物物理学 / ３D形態形成 / 数理モデル / 発生生物学 / 工学的応用 / 折り畳み構造物 / 生物の面構造の３Ｄ変化 / シート変形 / 計算機シミュレーション

Outline of Research at the Start

３Ｄ形状とは、物体表面が作る形であることから、器官の形態形成は面の形作りといえる。本研究では、細胞集団の面の変形を表す３Ｄバーテックスモデルを応用し、昆虫の３Ｄ外骨格形状を対象に、面構造を作る「折り畳みと展開」の力学的な原理を明らかにすることを目的とする。３Ｄバーテックスモデルを発展させ、器官レベルの大規模スケールの物体変形を解析するシミュレーション基盤を確立し、「３Ｄ形態の折り畳み図面への変換と面への一体成形」の謎に迫る。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、生物の3D形態形成を支配する面積拡大率分布を定量的に推定する革新的な手法を開発し、実際のカブトムシの発生過程の解析に適用することにより、ツノ原基の左右の端における面積拡大率の高さを明らかにした。さらに、3次元空間における上皮単層の形態形成をシミュレーションするために、細胞中心モデルに基づく数理モデルを新たに構築し、面内変形、面外変形、およびアピカル収縮による陥入のシミュレーションを行い、その有効性を検証した。これらの研究成果を、理論生物学分野で長年にわたり専門誌として認められているJournal of Theoretical Biologyに発表した。また、開発した解析手法をオープンソースとして公開し、研究コミュニティ全体で広く活用できるようになった。

これらの研究成果を有機的に連携させることにより、生物の3D形態形成メカニズムの解明に大きく貢献することが期待される。具体的には、実験で得られた面積拡大率分布のデータを、細胞中心モデルに基づく数理モデルに適用することで、より精緻な3D形態形成のシミュレーションが可能となる。これにより、実験のみでは観察が困難な形態形成の中間過程を予測し、形態形成を制御する主要な因子を特定することが可能となる。さらに、このアプローチを様々な生物の3D形態形成に適用することで、形態形成の普遍的な原理の解明につながることが期待される。オープンソースとして公開された解析手法は、他の研究者による更なる発展や応用を促進し、この分野の研究の進展に大きく寄与すると考えられる。

また、本学術変革領域研究のもう１つの特徴である工学の観点からの研究として、生物の形態形成プロセスに学んだ新しいモノづくり手法を提案し、日本機械学会バイオエンジニアリング講演会および同バイオフロンティア講演会において、それぞれ講演優秀表彰を受けている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究課題が順調に進んでいる理由は、以下の点にまとめられる。まず、生物の3D形態形成を支配する面積拡大率分布を定量的に推定する革新的な手法を開発し、実験と理論を融合させた研究アプローチの有効性を示した。次に、3次元空間における上皮単層の形態形成をシミュレーションする細胞中心モデルに基づく数理モデルを構築し、その有効性を検証することで、形態形成の中間過程を予測し、主要な因子を特定することが可能となり、本研究課題の目的を達成した。さらに、開発した解析手法をオープンソースとして公開し、研究コミュニティ全体での活用と発展を促進した。加えて、生物の形態形成プロセスに学んだ新しいモノづくり手法を提案し、機械工学分野での講演優秀表彰を受けたことで、工学的観点からの研究の進展を示した。以上より、本研究課題は多角的なアプローチにより、生物の3D形態形成メカニズムの解明に向けて順調に進んでいると言える。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究推進方策としては、まず、開発した革新的な手法を様々な生物種やin vitro系の3D形態形成にも適用し、その普遍性と特異性を明らかにすることで、生物の形態形成メカニズムの理解をさらに深化させる。次に、既に実現している複数の細胞が協調的に働く組織レベルでの形態形成シミュレーションをさらに発展させ、より複雑な形態形成過程の再現を目指す。また、パラメータ推定を理論的に正しく行うために、今年度から取り組み始めたデータ同化手法を完成させ、実験データと数理モデルの融合を図る。これにより、実験と理論の相互フィードバックによる研究の効率化と新しい発見の促進が期待される。さらに、工学的観点からの研究をさらに発展させ、生物の形態形成原理に基づいた新しい材料やデバイスの設計・製作につなげていく。これらの研究推進方策を有機的に連携させることで、生物の3D形態形成メカニズムの解明とその工学的応用の両面で、大きな進展が期待される。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Johns Hopkins University(米国)
• [Journal Article] Adhesion and shrinkage transform the rounded pupal horn into an angular adult horn in Japanese rhinoceros beetle (2024)
  • Author(s): Matsuda Keisuke、Adachi Haruhiko、Gotoh Hiroki、Inoue Yasuhiro、Kondo Shigeru
  • Journal Title: Development Volume: 151 Issue: 20
  • DOI: 10.1242/dev.202082
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Computational mechanics simulations on epithelial folding (Strengths, insights, and future challenges) (2024)
  • Author(s): MORIKAWA Kentaro、INOUE Yasuhiro
  • Journal Title: Journal of Biomechanical Science and Engineering Volume: 19 Issue: 2 Pages: 23-00562-23-00562
  • DOI: 10.1299/jbse.23-00562
  • ISSN: 1880-9863
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mathematical Model on Multicellular Dynamics for Simulating Tissue Morphogenesis (2023)
  • Author(s): 井上 康博
  • Journal Title: Bulletin of the Japan Society for Industrial and Applied Mathematics Volume: 33 Issue: 3 Pages: 133-140
  • DOI: 10.11540/bjsiam.33.3_133
  • ISSN: 2432-1982
  • Year and Date: 2023-09-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cell-center-based model for simulating three-dimensional monolayer tissue deformation (2023)
  • Author(s): Mimura Tomohiro、Inoue Yasuhiro
  • Journal Title: Journal of Theoretical Biology Volume: 571 Pages: 111560-111560
  • DOI: 10.1016/j.jtbi.2023.111560
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Impact of environmental asymmetry on epithelial morphogenesis (2022)
  • Author(s): Morikawa Kentaro、Kuroda Daichi、Inoue Yasuhiro
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-022-15343-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Multicellular dynamics simulation for understanding epithelial tissue morphogenesis (2023)
  • Author(s): Yasuhiro Inoue
  • Organizer: Africa International Biomedical and Biotechnology Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Cell-Centered Dynamics Simulation of Three-Dimensional Epithelial Sheet Deformation (2023)
  • Author(s): Tomohiro Mimura, Yasuhiro Inoue
  • Organizer: 12th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Inference of Area Expansion Rate Distribution in 3D Sheet Morphogenesis (2023)
  • Author(s): Kentaro Morikawa, Shinichi Morita, Kazuki Sakura, Akiteru Maeno, Hiroki Gotoh, Teruyuki Niimi and Yasuhiro Inoue
  • Organizer: 12th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Introduction to Material properties determine body shapes and their constructions (2023)
  • Author(s): Yasuhiro Inoue
  • Organizer: EMBO Workshop TSB Satellite Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 細胞重心運動に基づく３次元形態形成の数理モデル (2023)
  • Author(s): 井上康博、三村知広
  • Organizer: 第３５回バイオエンジニアリング講演会
• [Presentation] 幾何学からみた生物の曲面形態形成の解析手法 (2023)
  • Author(s): 森川健太郎, 森田慎一, 森田慎一, 左倉和喜, 左倉和喜, 前野哲輝, 後藤寛貴, 新美輝幸, 新美輝幸, 井上康博
  • Organizer: 日本数理生物学会年会2023
  • Invited
• [Presentation] 棒状要素モデルによるブーリガ ン構造の回転積層メカニズムの 検討 (2023)
  • Author(s): 林 将也, 井上 康博, 森 川 健太郎, 三村 知広
  • Organizer: 第３３回バイオフロンティア講演会
• [Presentation] 細胞中心モデルにおける曲率エ ネルギー離散化手法の比較 (2023)
  • Author(s): 三村 知広, 井上 康博
  • Organizer: 第３３回バイオフロンティア講演会
• [Presentation] 蛹期ショウジョウバエ翅の折り たたみ過程の数理モデリング (2023)
  • Author(s): 大住 翔平, 坪井 有寿, 井上 康博
  • Organizer: 第３３回バイオフロンティア講演会
• [Presentation] 生物の曲面形態形成に学ぶシー ト材料への面積変化率の実装 (2023)
  • Author(s): 中村 拓未, 森川 健太郎, 松 本 嘉彦, 松田, 佳祐, 秋山 正和, 山﨑 慎太郎, 近藤 滋, 井上 康博
  • Organizer: 第３３回バイオフロンティア講演会
• [Presentation] グラフ理論を利用したBoolean Networkの安定ノードの計算 (2023)
  • Author(s): 五十嵐 康祐, 森川 健太 郎, 井上 康博
  • Organizer: 第３３回バイオフロンティア講演会
• [Presentation] 上皮組織の皺形成の背後にある 位相欠陥による数学的制限 (2023)
  • Author(s): 池田 夏晶, 森川 健太 郎, 斉藤 稔, 井上 康博
  • Organizer: 第３３回バイオフロンティア講演会
• [Presentation] 生物にあらわれるブーリガン構造の棒状要素モデル (2023)
  • Author(s): 林将也，三村知広，森川健太郎，井上康博
  • Organizer: 第３５回バイオエンジニアリング講演会
• [Presentation] トーラス上の上皮皺形成におけるトポロジカル欠陥のダイナミクス (2023)
  • Author(s): 池田夏晶，森川健太郎，斉藤稔， 井上康博
  • Organizer: 第３５回バイオエンジニアリング講演会
• [Presentation] Feedback Vertex Set と振動領域に着目した Boolean Network の低次元化手法 (2023)
  • Author(s): 五十嵐康祐，森川健太郎，井上康博
  • Organizer: 第３５回バイオエンジニアリング講演会
• [Presentation] 形態形成の理解に向けた細胞中心モデルの構築 (2023)
  • Author(s): 三村知広、井上康博
  • Organizer: 第３５回バイオエンジニアリング講演会
• [Presentation] 展開して曲面形状となる皺構造の生成手法の開発 (2023)
  • Author(s): 森川健太郎、斉藤稔、井上康博
  • Organizer: 第３５回バイオエンジニアリング講演会
• [Presentation] Estimation of the distribution of area expansion rates in epithelial morphogenesis with Markov chain Monte Carlo methods (2022)
  • Author(s): Kentaro Morikawa, Shinichi Morita, Kazuki Sakura, Hiroki Gotoh, Teruyuki Niimi, Yasuhiro Inoue
  • Organizer: 9th World Congress of Biomechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of adhesion points and area changes on epithelial morphogenesis (2022)
  • Author(s): Kouhei Ueda, Kentaro Morikawa, Shinichi Morita, Kazuki Sakura, Hiroki Gotoh, Teruyuki Niimi, Yasuhiro Inoue
  • Organizer: 9th World Congress of Biomechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Three-dimensional simulation on skeletal frame formation of the sponge body (2022)
  • Author(s): Yusuke Shimooka, Masakazu Akiyama, Noriko Funayama, Yasuhiro Inoue
  • Organizer: 9th World Congress of Biomechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 物理的環境の非対称性が上皮折り畳みパターン選択に果たす役割 (2022)
  • Author(s): Kentaro Morikawa, Daich Kuroda, Yasuhiro Inoue
  • Organizer: 第６０回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 3 次元形態形成を表す隣接細胞間ネットワークモデル (2022)
  • Author(s): Tomohiro Mimura, Yasuhiro Inoue
  • Organizer: 第６０回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 非対称な物理的環境における上皮折り畳みシミュレー ション (2022)
  • Author(s): 森川健太郎, 黒田大地, 井上康博
  • Organizer: 日本機械学会 第34回バイオエンジニアリング講演会
• [Presentation] 調和写像法を用いた上皮形態形成における面積拡大率分布の推定 (2022)
  • Author(s): 森川 健太郎, 森田 慎一, 左倉 和喜, 後藤 寛貴, 新美 輝幸, 井上 康博
  • Organizer: 日本機械学会 第33回バイオフロンティア講演会
  • Invited
• [Presentation] 三次元形態形成における上皮細胞シートの面積拡大率分布の推定手法の開発 (2022)
  • Author(s): 森川健太郎, 森田慎一, 左倉和喜, 後藤寛貴, 新美輝幸, 井上康博
  • Organizer: 日本機械学会バイオフロンティア講演会
• [Presentation] Yasuhiro Inoue, Simulation on phase propagation of gene expression oscillation focusing on cell shape (2021)
  • Author(s): Sakakibara Masato, Yasuhiro Inoue
  • Organizer: The 11th asian-pacific conference on biomechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 細胞形状に着目した遺伝子発現振動の位相伝播シミュレーション (2021)
  • Author(s): 榊原 雅人, 井上 康博
  • Organizer: 日本機械学会第33回バイオエンジニアリング講演会