| Project Area | Material properties determine body shapes and their constructions |
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| Project/Area Number |
20H05947
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (III)
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
井上 康博 京都大学, 工学研究科, 教授 (80442929)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥64,870,000 (Direct Cost: ¥49,900,000、Indirect Cost: ¥14,970,000)
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)
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| 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 / 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 |
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| 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。
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| Outline of Annual Research Achievements |
カブトムシのツノ原基の形態形成においては、発生ステージの進行とともに、原基サイズが大きくなり、その表面に皺が刻まれる。この原基の形状変化の時間発展の理解には、細胞増殖の空間分布の解明が重要となる。そこで、最終形状のそれぞれの局所領域が、初期形状のどの領域から派生拡大したかを面積拡大率として推定する新規手法を開発した。本手法を、まず、実際のカブトムシのツノ原基の一部を解析対象として適用し、面積拡大率の空間分布の推定を行った。次に、この空間分布をもとに、改めて順方向の時間発展シミュレーションを実施すると、確かに、解析対象とした面積拡大後の原基形状が再現できることが分かった。今後、面積拡大率の空間分布を、細胞増殖の空間分布と解釈可能か検討する計画である。
マクロな折り畳み形成を細胞活動から解析するための数理モデルの開発に大きな進展があった。これまで、本研究課題では細胞形状を多面体で表現した多細胞力学モデルにより、折り畳み形状の予測を行ってきた。このモデルは計算粒度が細かい利点がある一方で、多くの計算資源が必要となり、シミュレーションで扱うことのできる時間・空間スケールに限りがあった。そこで、新たに、細胞重心に運動を粗視化した数理モデルを構築した。本モデルを用いることにより、これまでの多細胞力学モデルによる折り畳みシミュレーション結果と同様のシミュレーション結果の再現に成功した。さらに、この新規手法を用いることで、これまでの多細胞力学モデルでは難しかった大域的な時間・空間スケールのシミュレーションの実施に期待ができる結果が得られている。次年度に、細胞力学的な観点から妥当性の評価を行う計画である。
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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
カブトムシのツノ原基の形態形成において、面積拡大率の空間分布の推定を行う新規手法を開発した。まず、検証用の人工的データに対して新規手法による推定結果の理論的な検証を行い、正しく推定できることを確認した。次に、本推定手法を実際のカブトムシのツノ原基の解析に適用した。得られた面積拡大率をもとにしたツノ原基の時間発展シミュレーションにより、推定した時間区間のツノ原基の形状変化を説明し得ることが確認された。これらの結果より、本推定手法を用いることで、実際の形態形成における異なる時間点の形状データから、面積拡大率の空間分布の推定が行える可能性が示された。
マクロな折り畳み形成を細胞活動から捉える新しい数理モデルを、細胞重心に粗視化された運動方程式をもとに構築した。本数理モデルにおいて、組織変形は、細胞重心の変位によって表される。また、その細胞重心の変位は、細胞の粗視化エネルギー関数の最小化、および、細胞分裂や配置換えなどによる細胞隣接関係の幾何学的変化によって表現される。すでに、これまでの多細胞力学モデルによる折り畳みシミュレーション結果と同様の結果を再現することに成功している。これにより、これまでの多細胞力学モデル（３Dバーテックスモデル）では難しかった大域的な時間・空間スケールのシミュレーションの実施に期待が持てる結果が得られている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度に構築した面積拡大率の空間分布の推定手法について、領域内共同研究を行う新美班と共同で実験による検証を行う計画である。本研究課題では、面積拡大率は主に細胞増殖率と関連すると想定していることから、カブトムシのツノ原基の形成過程において、細胞増殖マーカーを用いた観察を行い、細胞増殖の空間分布の計測を行う計画である。計測された細胞増殖の空間分布およびCTデータをもとに推定した面積拡大率の空間分布との比較を行い、推定手法の妥当性を検討する計画である。
同じく今年度に構築した細胞重心に粗視化した新しい多細胞力学モデルについて、力学的観点から妥当性の検討を行う。
細胞の能動的な収縮力発生と細胞シート変形との関係、細胞分裂による組織変形、細胞配置換えなどについて、既報の数理解析や実験解析と比較検証する計画である。
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Report
(2 results)
Research Products
(3 results)
