Designing Super-survival System by Studying Bacterial Biofilm Formation

• Project/Area Number: 19KK0103
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 加納 剛史 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (80513069)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 福原 洸 東北大学, 電気通信研究所, 助教 (10827611) ; 石黒 章夫 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (90232280)
• Project Period (FY): 2019-10-07 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥18,330,000 (Direct Cost: ¥14,100,000、Indirect Cost: ¥4,230,000); Fiscal Year 2022: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2021: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2020: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2019: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
• Keywords: 自律分散制御 / バイオフィルム / サバイバビリティ / 蝋燭振動子 / バクテリア / 自律分散システム

Outline of Research at the Start

本研究では，環境への適応戦略を自律的に創出し，過酷な環境下でも機能する「サバイバビリティ」の高い人工物システムの革新的設計論構築を目指す．目的達成のため，複数のバクテリアの相互作用により自己組織的に形成された構造体であるバイオフィルムに着目する．バクテリアを用いた生物実験と数理モデリングによりサバイバル戦略を創発可能なシステムの設計論を構築し，さらにその設計論を用いて過酷な環境に耐え得る人工物を実世界実現する．

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，環境への適応戦略を自律的に創出し，過酷な環境下でも機能する「サバイバビリティ」の高い人工物システムの設計論構築を目指す．目的達成のため，バクテリアのバイオフィルムが示す環境適応戦略の発現原理を解明する．バイオフィルムは，複数のバクテリアと場の間の相互作用により自己組織的に形成された構造体であり，個々のバクテリアの足し算を超えた強靭なサバイバビリティを実現している．英国の浅利はこれまで，枯草菌を用い，1)一部の細胞が犠牲になることで全体の機能を維持する，2)各細胞が一時的に栄養を摂取制限することで全体の細胞を共存させる，といった利他的な戦略がサバイバビリティ実現の鍵であることを示した．しかし，「単細胞生物が有する知能」とでも言うべきこれらの戦略が進化の過程でどのように獲得され，環境に呼応した戦略を発現するようになったのか，依然不明である．本研究ではこの課題を解決する．
当初，遺伝子ノックアウトにより利他的な戦略を封じられた個体群を徐々に環境を厳しくする実験条件下で複数世代にわたって培養し，個体群が生き延びるための戦略をどのように創出するかを観察する予定であったが，議論の結果この実験は技術的に困難であることが判明した．そこで，バイオフィルムのサバイバビリティを模擬する実験系である蝋燭振動子に着目し，以下の手順で研究を進めることとした．まず，蝋燭振動子を搭載したロボットを複数相互作用させる実験系を構築し，環境が変化しても蝋燭の炎が消えずに残り続けるための制御方策を検討する．それをもとに，サバイバビリティを実現するための設計論を数理言語化する．次に，バイオフィルムを過酷な環境下で培養し，蝋燭振動子の実験系から得られた設計論が実際のバイオフィルムでも見られるかを確認する．
本年度は，バイオフィルムの振る舞いの基礎となる数理モデルの構築と，蝋燭振動子の実験系の構築を行った．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

当初の研究計画では，遺伝子ノックアウトにより利他的な戦略を封じられた個体群を，徐々に環境を厳しくする実験条件下で複数世代にわたって培養し，個体群が生き延びるための戦略をどのように創出するかを観察する予定であったが，議論の結果この実験は技術的に困難であることが判明した．そこで，バクテリアのバイオフィルムのサバイバビリティを模擬する実験系である蝋燭振動子に着目して研究を進めることとなった．当初予定から計画が変更になったため，やや進捗に遅れが生じている．
ただし，バイオフィルムの振る舞いの基礎となる数理モデルを構築できた点は，当初研究計画で想定していなかった成果であり，その点では当初予定より進んでいる．

Strategy for Future Research Activity

本年度構築した蝋燭振動子の実験系をもとに，環境が変化しても蝋燭の炎が消えずに残り続けるための制御方策を検討する．それをもとに，サバイバビリティを実現するための設計論を数理言語化する．次に，バイオフィルムを過酷な環境下で培養し，蝋燭振動子の実験系から得られた設計論が実際のバイオフィルムでも見られるかを確認する．

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Warwick(英国)