細胞シートから３次元の分岐構造を作る原理の解明

• 研究領域: 生物の３Ｄ形態を構築するロジック
• 研究課題/領域番号: 15H05864
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 近藤 滋 大阪大学, 生命機能研究科, 教授 (10252503)
• 研究分担者: 後藤 寛貴 国立遺伝学研究所, ゲノム・進化研究系, 博士研究員 (60737899)
• 研究期間 (年度): 2015-06-29 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 119,210千円 (直接経費: 91,700千円、間接経費: 27,510千円); 2019年度: 23,140千円 (直接経費: 17,800千円、間接経費: 5,340千円); 2018年度: 23,270千円 (直接経費: 17,900千円、間接経費: 5,370千円); 2017年度: 23,270千円 (直接経費: 17,900千円、間接経費: 5,370千円); 2016年度: 23,140千円 (直接経費: 17,800千円、間接経費: 5,340千円); 2015年度: 26,390千円 (直接経費: 20,300千円、間接経費: 6,090千円)
• キーワード: 生物形態 / 脱皮 / 成虫原基 / 折り紙 / カブトムシ / ツノゼミ / シミュレーション / 物理計算 / 形態形成 / クチクラ / 折り畳み / ３次元 / 数理モデル / 物理計測 / CTスキャン / 原基 / 形態 / ３D / 発生 / 数理 / 工学 / 細胞シート / 3D形態 / 3次元 / ３Ｄ形態 / 昆虫

研究成果の概要

昆虫は脱皮の際に、折りたたんだ前駆体を一気に広げることで、短時間に形態を変えます。それを可能にするのは、膨らませた時に正しい形になる構造を「折りたたんだ状態で作る」必要があり、その原理が研究の対象です。4年目までにカブトムシの折り畳み法はほぼ理解できたので、5年目は、さらに複雑な形態を持つツノゼミの折り畳みを解析しました。基本はカブトムシと共通で「大まかな折り畳み」と「細かい皺」の組み合わせでしたが、原基の細胞シートが幼虫の殻から離脱した後、急速に収縮し、その収縮過程で大まかな形状が作られる、という点が異なっていました。これはそれ自体新たな発見であり、その詳細を今後解析していくことになります。

研究成果の学術的意義や社会的意義

理学的な意義：昆虫の形態がどのようにしてできるのかについての、基本的な原理の解明につながる。形態形成の研究は多数あるが、マクロな形態をダイレクトに説明できるようなモデルはほとんど存在せず、本研究により「折り畳み法」の提案は、極めて画期的なものである。
応用的な意義：昆虫は、膨らませると特定の３D形態をとる袋を、折りたたんだ状態で作る。この原理は、狭い空間で３Dの形態を作るための新しい建築工法につながるかもしれない。

研究成果

• [国際共同研究] コスタリカ大学/理学部/昆虫学(コスタリカ)
• [国際共同研究] コスタリカ大学(コスタリカ)
• [国際共同研究] ワシントン州立大学/モンタナ大学(米国)
• [国際共同研究] コスタリカ大学(コスタリカ)
• [雑誌論文] Structure and development of the complex helmet of treehoppers (Insecta: Hemiptera: Membracidae) (2020)
  • 著者名/発表者名: Adachi Haruhiko、Matsuda Keisuke、Nishida Kenji、Hanson Paul、Kondo Shigeru、Gotoh Hiroki
  • 雑誌名: Zoological Letters 巻: 6 号: 1
  • DOI: 10.1186/s40851-020-00155-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The minimal gap-junction network among melanophores and xanthophores required for stripe pattern formation in zebrafish (2019)
  • 著者名/発表者名: Usui Yuu、Aramaki Toshihiro、Kondo Shigeru、Watanabe Masakatsu
  • 雑誌名: Development 巻: 146
  • DOI: 10.1242/dev.181065
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Comparative morphological examination of vertebral bodies of teleost fish using high‐resolution micro‐CT scans (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakashita Misaki、Sato Mao、Kondo Shigeru
  • 雑誌名: Journal of Morphology 巻: 280 号: 6 ページ: 778-795
  • DOI: 10.1002/jmor.20983
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Termite soldier mandibles are elongated by dachshund under hormonal and Hox gene controls (2019)
  • 著者名/発表者名: Sugime Y, Oguchi K, Gotoh H, Hayashi Y, Matsunami M, Shigenobu S, Koshikawa S, Miura T
  • 雑誌名: Development 巻: 146 号: 5 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1242/dev.171942
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Flexibility of pigment cell behavior permits the robustness of skin pattern formation (2018)
  • 著者名/発表者名: Sawada R, Aramaki T, Kondo S
  • 雑誌名: Genes to Cells 巻: 23(7) 号: 7 ページ: 537-545
  • DOI: 10.1111/gtc.12596
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Anisotropy of cell division and epithelial sheet bending via apical constriction shape the complex folding pattern of beetle horn primordia (2018)
  • 著者名/発表者名: Adachi H, Matsuda K, Niimi T, Inoue Y, Kondo S, Gotoh H.
  • 雑誌名: Mech Dev. 巻: 152 ページ: 32-37
  • DOI: 10.1016/j.mod.2018.06.003
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Melanophore multinucleation pathways in zebrafish (2018)
  • 著者名/発表者名: Usui Y, Kondo S, Watanabe M
  • 雑誌名: Dev Growth Differ. 巻: 2018 Aug 7 号: 7 ページ: 454-459
  • DOI: 10.1111/dgd.12564
  • 査読あり
• [雑誌論文] Simple rules for construction of a geometric nest structure by pufferfish (2018)
  • 著者名/発表者名: Ryo Mizuuchi, Hiroshi Kawase, Hirofumi Shin, Daisuke Iwai & Shigeru Kondo
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 17;8(1):Article number12366 号: 1 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1038/s41598-018-30857-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Method for disarranging the pigment pattern of zebrafish by optogenetics (2018)
  • 著者名/発表者名: Aramaki T and Kondo S
  • 雑誌名: Dev Biol 巻: 印刷中 号: 1 ページ: 12-19
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2018.12.019
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Rhinoceros beetle horn development reveals deep parallels with dung beetles (2018)
  • 著者名/発表者名: Ohde T, Morita S, Shigenobu S, Morita J, Mizutani T, Gotoh H, Zinna RA, Nakata M, Ito Y, Wada K, Kitano Y, Yuzaki K, Toga K, Mase M, Kadota K, Yamaguchi K, Rushe J, Lavine LC, Emlen DJ, Niimi T.
  • 雑誌名: PLoS Genetics 巻: 12 号: 10 ページ: e1007651-e1007651
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1007651
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The Fat-Dachsous signaling pathway regulates growth of horns in Trypoxylus dichotomus, but does not affect horn allometry. (2018)
  • 著者名/発表者名: Hust, J., Lavine, M. D., Worthington, A. M., Zinna, R., Gotoh, H., Niimi, T. and Lavine, L.
  • 雑誌名: J. Insect Physiol. 巻: 105 ページ: 85-94
  • DOI: 10.1016/j.jinsphys.2018.01.006
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Recent advances in understanding the mechanisms of sexually dimorphic plasticity: Insights from beetle weapons and future directions. (2018)
  • 著者名/発表者名: Zinna, R., Gotoh, H., Kojima, T. and Niimi, T.
  • 雑誌名: Curr. Opi. Insect Sci. 巻: 25 ページ: 35-41
  • DOI: 10.1016/j.cois.2017.11.009
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Complex furrows in a 2D epithelial sheet code the 3D structure of a beetle horn (2017)
  • 著者名/発表者名: Matsuda Keisuke、Gotoh Hiroki、Tajika Yuki、Sushida Takamichi、Aonuma Hitoshi、Niimi Teruyuki、Akiyama Masakazu、Inoue Yasuhiro、Kondo Shigeru
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 号: 1 ページ: 13939-13939
  • DOI: 10.1038/s41598-017-14170-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A novel imaging method for correlating 2D light microscopic data and 3D volume data based on block-face imaging (2017)
  • 著者名/発表者名: Tajika Yuki、Murakami Tohru、Iijima Keiya、Gotoh Hiroki、Takahashi-Ikezawa Maiko、Ueno Hitoshi、Yoshimoto Yuhei、Yorifuji Hiroshi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 号: 1 ページ: 3645-3645
  • DOI: 10.1038/s41598-017-03900-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The function of appendage patterning genes in mandible development of the sexually dimorphic stag beetle. (2017)
  • 著者名/発表者名: Gotoh H, Zinna RA, Ishikawa Y, Miyakawa H, Ishikawa A, Sugime Y, Emlen DJ, Lavine LC, Miura T
  • 雑誌名: Developmental Biology 巻: 422 号: 1 ページ: 24-32
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2016.12.011
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] An updated kernel-based Turing model for studying the mechanisms of biological pattern formation (2016)
  • 著者名/発表者名: Shigeru Kondo
  • 雑誌名: Journal of Theoretical Biology 巻: 10；414 ページ: 120-127
  • DOI: 10.1016/j.jtbi.2016.11.003
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] Two types of mathematical models explaining the complex biological phenomena (2019)
  • 著者名/発表者名: shigeru kondo
  • 学会等名: Patterns in Life and Social Sciences in Granada
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] How is the shape of the beetle horn determined? (2019)
  • 著者名/発表者名: 近藤滋
  • 学会等名: 日本発生生物学会
  • 招待講演
• [学会発表] Turing modelと花の形 (2019)
  • 著者名/発表者名: 近藤滋
  • 学会等名: 形の科学会
  • 招待講演
• [学会発表] how the shape of sea shells determined. (2019)
  • 著者名/発表者名: 近藤滋
  • 学会等名: 分子生物学会
  • 招待講演
• [学会発表] Turing model and beyond (2019)
  • 著者名/発表者名: 近藤滋
  • 学会等名: 明治大学数学研究会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] カブトムシの角はどのように「折りたたまれた状態」で作られるのか？ (2019)
  • 著者名/発表者名: 後藤寛貴
  • 学会等名: 日本動物学会
• [学会発表] シマウマの模様をヒョウ柄に変える方法 (2018)
  • 著者名/発表者名: 近藤 滋
  • 学会等名: 第65回日本生化学会 近畿支部例会
  • 招待講演
• [学会発表] Arrangement of collagen fibers determines the fin bone structure in Zebrafish (2018)
  • 著者名/発表者名: 中川 日々紀
  • 学会等名: 第70回日本細胞生物学会 第51回日本発生生物学会 合同大会
• [学会発表] The mechanism about the growth of collagen crystal involved with fin skeletal development. (2018)
  • 著者名/発表者名: 黒田 純平
  • 学会等名: 第70回日本細胞生物学会 第51回日本発生生物学会 合同大会
• [学会発表] Development of the horn primordia of Rhinoceros beetle (2018)
  • 著者名/発表者名: 足立 晴彦
  • 学会等名: 第70回日本細胞生物学会 第51回日本発生生物学会 合同大会
• [学会発表] シマウマの模様をヒョウ柄に変える方法 (2018)
  • 著者名/発表者名: 近藤 滋
  • 学会等名: 第43回日本香粧品学会
  • 招待講演
• [学会発表] ゼブラフィッシュの体表模様を形成するギャップジャンクションネットワークの最小条件について (2018)
  • 著者名/発表者名: 臼居 優
  • 学会等名: 日本動物学会 第８９回大会
• [学会発表] 魚類椎骨のマイクロCTを用いた比較形態観察による形態形成メカニズムの推定 (2018)
  • 著者名/発表者名: 坂下 美咲
  • 学会等名: 2018年度日本魚類学会年会
• [学会発表] トポロジー最適化を用いて魚類椎骨の形態を再現する数理モデルの構築 (2018)
  • 著者名/発表者名: 坂下 美咲
  • 学会等名: 第28回設計工学・システム部門講演会
• [学会発表] Reading out unknown cell field information to clarify research on cell division, differentiation and development by FIB-SEM / SBF-SEM and 3d-reconstruction techniques. (2018)
  • 著者名/発表者名: 黒田純平
  • 学会等名: BDR retreat 2018
• [学会発表] パターン形成から3次元の形態形成へ (2018)
  • 著者名/発表者名: 近藤 滋
  • 学会等名: 第41回日本分子生物学会年会
• [学会発表] ゼブラフィッシュが縞模様を形成するために必要なギャップジャンクションネットワークの最小条件について (2018)
  • 著者名/発表者名: 臼居 優
  • 学会等名: 第41回日本分子生物学会年会
• [学会発表] カブトムシの収納術 (2018)
  • 著者名/発表者名: 松田 佳祐
  • 学会等名: 第41回日本分子生物学会年会
• [学会発表] Modelling the force-dependent morphogenesis of fish vertebra with topology optimization (2018)
  • 著者名/発表者名: Misaki Sakashita
  • 学会等名: 2018 Annual Meeting of the Society for Mathematical Biology & the Japanese Society for Mathematical Biology
  • 国際学会
• [学会発表] 2D pattern formation by Turing mechanism and 3D shape formation by folding of cell sheet (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigeru Kondo
  • 学会等名: Differential Equations arising from Organising Principles in Biology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Turing mechanism for 2D pattern formation, and a proposal of another principle for 3D shape formation (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigeru Kondo
  • 学会等名: Mathematical Biology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 2D pattern formation by Turing mechanism and 3D shape formation by folding of cell sheet (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigeru Kondo
  • 学会等名: Mittwochskolloquium (MoKo/MiKo)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Pattern formation in a growing tissue (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigeru Kondo
  • 学会等名: 119th International Titisee Conference on “Tissue formation and regeneration: from molecules to models”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Biologically Inspired Topology Optimization Model with a Local Density Penalization (2018)
  • 著者名/発表者名: Misaki Sakashita
  • 学会等名: 9th Vienna International Conference on Mathematical Modelling
• [学会発表] 魚類の椎骨側部にある梁状構造ができる原理 (2017)
  • 著者名/発表者名: 坂下 美咲
  • 学会等名: 第37回日本骨形態計測学会
• [学会発表] Exclusion mechanisms among pigment cells in zebrafish pattern formation (2017)
  • 著者名/発表者名: 澤田 莉沙
  • 学会等名: 第23回小型魚類研究会
• [学会発表] ゼブラフィッシュの色素細胞において細胞集団サイズを制御するギャップジャンクションサーキットの探索 (2017)
  • 著者名/発表者名: 臼居 優
  • 学会等名: 日本動物学会第88大会
• [学会発表] 魚類脊椎骨の 3 次元形態形成の研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 坂下 美咲
  • 学会等名: 日本動物学会第88大会
• [学会発表] A simple logic gererating the positional information in organisms (2017)
  • 著者名/発表者名: 近藤 滋
  • 学会等名: 北海道大学電子科学研究所国際シンポジウム「極」
  • 招待講演
• [学会発表] ゼブラフィッシュ模様形成における色素細胞の2種類の排除メカニズム (2017)
  • 著者名/発表者名: 澤田 莉沙
  • 学会等名: Conbio2017(2017年度生命科学系学会合同年次大会）
• [学会発表] 魚類ヒレ骨格形成に必須なコラーゲン結晶の自律的合成メカニズム (2017)
  • 著者名/発表者名: 黒田 純平
  • 学会等名: Conbio2017(2017年度生命科学系学会合同年次大会）
• [学会発表] コラーゲン結晶の配向が誘導するひれ骨のかたち (2017)
  • 著者名/発表者名: 中川 日々紀
  • 学会等名: Conbio2017(2017年度生命科学系学会合同年次大会）
• [学会発表] カブトムシ角原基における細胞シート折りたたみ構造について (2017)
  • 著者名/発表者名: 足立 晴彦
  • 学会等名: Conbio2017(2017年度生命科学系学会合同年次大会）
• [学会発表] ゼブラフィッシュの模様形成において、黒色素胞の集団サイズを制御するギャップジャンクションサーキットの探索 (2017)
  • 著者名/発表者名: 臼居 優
  • 学会等名: Conbio2017(2017年度生命科学系学会合同年次大会）
• [学会発表] The complex furrows on the horn primordia (2017)
  • 著者名/発表者名: 松田 佳祐
  • 学会等名: Conbio2017(2017年度生命科学系学会合同年次大会）
• [学会発表] 魚類の鰭骨を直線的に形成するコラーゲン結晶の機能 (2017)
  • 著者名/発表者名: 丸田 尚道
  • 学会等名: Conbio2017(2017年度生命科学系学会合同年次大会）
• [学会発表] How to Present an Unbelievable Experimental Result (2017)
  • 著者名/発表者名: Shigeru Kondo
  • 学会等名: Gordon Research Conference-Visualization in Science & Education
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A new simpler version of Turing model that does not depend on any specific celluar mechanism (2017)
  • 著者名/発表者名: Shigeru Kondo
  • 学会等名: The BIRS workshop "Mathematics for Developmental Biology"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] シマウマの模様をヒョウ柄に変える方法 (2017)
  • 著者名/発表者名: 近藤 滋
  • 学会等名: 第29回バイオエンジニアリング講演
  • 発表場所: ウインクあいち（愛知県・名古屋市）
  • 招待講演
• [学会発表] Folding Morphogenesis of Exoskeleton (2016)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Matsuda, Hiroki Gotoh, Shigeru Kondo
  • 学会等名: 日本動物学会第87回大会
  • 発表場所: 沖縄コンベンションセンター（沖縄県宜野湾市）
  • 年月日: 2016-11-17
• [学会発表] The mechanism of Turing pattern formation in the zebrafish skin (2016)
  • 著者名/発表者名: Shigeru Kondo
  • 学会等名: NYUAD-CGSB Symposium
  • 発表場所: Abu Dhabi (United Arab Emirates)
  • 年月日: 2016-02-24
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] モデルなしのモデリング (2016)
  • 著者名/発表者名: 近藤 滋
  • 学会等名: 第26回非線形反応と共同現象研究会
  • 発表場所: 明治大学（東京都・中野区）
  • 招待講演
• [学会発表] The detailed mechanism of Turing pattern formation in the skin of zebrafish (2016)
  • 著者名/発表者名: Shigeru Kondo
  • 学会等名: Combined ASBMB, ASPS and ANZSCDB Annual Meetings
  • 発表場所: Brisbane (Australia)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Simpler modelling of the biological pattern formation (2016)
  • 著者名/発表者名: 近藤 滋
  • 学会等名: 2016年日本数理生物学会
  • 発表場所: 九州大学（福岡県福岡市）
  • 招待講演
• [学会発表] 「シマウマは、縞模様を得たウマ、ではなく、均一中間色を失ったウマ、である」というお話し。 (2016)
  • 著者名/発表者名: 近藤 滋
  • 学会等名: 日本進化学会第18回大会
  • 発表場所: 東京工業大学（東京都目黒区）
  • 招待講演
• [学会発表] Turing pattern formation without diffusion (2015)
  • 著者名/発表者名: Shigeru Kondo
  • 学会等名: 2015 Cell Biology ASCB Meeting
  • 発表場所: San Diego (USA)
  • 年月日: 2015-12-25
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Turing pattern formation in real biological systems (2015)
  • 著者名/発表者名: Shigeru Kondo
  • 学会等名: 2015 EPFL Life Science Symposium
  • 発表場所: Vaud (Switzerland)
  • 年月日: 2015-09-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 生物の形づくりの謎を解く“カブトムシ角風船”
  • URL: https://www.fbs-osaka-kondolabo.net/science
• [備考] 「生物の３D形態を構築するロジック」ホームページ
  • URL: http://www.3d-logic.jp/index2.html
• [備考] ３D MORPHOLOGIC
  • URL: http://www.3d-logic.jp/en/
• [備考] 3D MORPHOLOGIC
  • URL: http://www.3d-logic.jp/en/
• [備考] 超絶 逆折り紙の奥儀を極める話
  • URL: http://www.fbs.osaka-u.ac.jp/labs/skondo/saibokogaku/gyaku%20origami.html