コントローラブルな生物リズム・パターンの創成

• 研究領域: ソフトロボット学の創成：機電・物質・生体情報の有機的融合
• 研究課題/領域番号: 18H05474
• 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: 複合領域
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 伊藤 浩史 九州大学, 芸術工学研究院, 准教授 (20512627)
• 研究分担者: 杉 拓磨 広島大学, 統合生命科学研究科(理), 准教授 (70571305) ; 永井 健 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 講師 (40518932)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 97,500千円 (直接経費: 75,000千円、間接経費: 22,500千円); 2022年度: 15,340千円 (直接経費: 11,800千円、間接経費: 3,540千円); 2021年度: 15,340千円 (直接経費: 11,800千円、間接経費: 3,540千円); 2020年度: 15,340千円 (直接経費: 11,800千円、間接経費: 3,540千円); 2019年度: 24,960千円 (直接経費: 19,200千円、間接経費: 5,760千円); 2018年度: 26,520千円 (直接経費: 20,400千円、間接経費: 6,120千円)
• キーワード: 概日リズム / パターン / 植物 / クラゲ / 線虫 / イカ / リズム / 集団運動 / シアノバクテリア / ソフトロボット / コントロール / バラ / 蚕 / ケンサキイカ / 生物リズム / 生物パターン

研究成果の概要

リズムやパターン現象を示す生命現象を対象に、コンローロラブルな機能を付与することで、既存のロボットの枠を広げる研究を推進した。主要な成果として、回転運動する線虫の大量培養によって動的なパターン形成がおこることを示し、そのパターンが環境の光遺伝学的操作によって制御可能であることを示した。振動する能力をもつイカ色素胞を利用した物理リザバー計算機として音声認識が可能であることを示した。また生物が自発的に２４時間周期の自律振動性を獲得するシナリオに関する理論的研究や、周期ゆらぎを低減するための手法に関する理論的提案を行った。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究成果は生物そのものがやわらかいロボットとして機能しうることの実例を動物・植物・微生物を用いて明らかにした。また工学的なアプローチが生物理解そのものに貢献することを実例とともに示した。工学と生物学の融合によって、既存の生物学の枠組みおよびロボット学の枠組みを双方押し広げることに成功した。

研究成果

• [国際共同研究] Universite Grenoble Alpes(フランス)
• [国際共同研究] Universite Grenoble Alpes(フランス)
• [国際共同研究] Universite Grenoble Alpes(フランス)
• [国際共同研究] Universite Grenoble Alpes(フランス)
• [雑誌論文] Root PRR7 Improves the Accuracy of the Shoot Circadian Clock through Nutrient Transport (2023)
  • 著者名/発表者名: Uemoto Kyohei、Mori Fumito、Yamauchi Shota、Kubota Akane、Takahashi Nozomu、Egashira Haruki、Kunimoto Yumi、Araki Takashi、Takemiya Atsushi、Ito Hiroshi、Endo Motomu
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 64 号: 3 ページ: 352-362
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad003
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The Large-Scale Cultivation of Nematodes to Study Their Collective Behaviors (2023)
  • 著者名/発表者名: Imamura Ryuki、Nakane Yurina、Jiajing Hu、Ito Hiroshi、Sugi Takuma
  • 雑誌名: Journal of Visualized Experiments 巻: 1 号: 198 ページ: 10-10
  • DOI: 10.3791/65569
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enhanced precision of circadian rhythm by output system (2023)
  • 著者名/発表者名: Kaji Hotaka、Mori Fumito、Ito Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of Theoretical Biology 巻: 574 ページ: 111621-111621
  • DOI: 10.1016/j.jtbi.2023.111621
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Phase characteristics of vocal tract filter can distinguish speakers (2023)
  • 著者名/発表者名: Okada Masahiro、Ito Hiroshi
  • 雑誌名: Frontiers in Applied Mathematics and Statistics 巻: 9 ページ: 1274846-1274846
  • DOI: 10.3389/fams.2023.1274846
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Artificial temperature-compensated biological clock using temperature-sensitive Belousov?Zhabotinsky gels (2023)
  • 著者名/発表者名: Yamada Yuhei、Ito Hiroshi、Maeda Shingo
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13 号: 1 ページ: 22436-22436
  • DOI: 10.1038/s41598-023-41310-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Evolution of self-sustained circadian rhythms is facilitated by seasonal change of daylight (2022)
  • 著者名/発表者名: Seki Motohide、Ito Hiroshi
  • 雑誌名: Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 巻: 289 号: 1987 ページ: 20220577-20220577
  • DOI: 10.1098/rspb.2022.0577
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Global transcriptional and circadian regulation in a halotolerant cyanobacterium Halothece sp. PCC7418 (2022)
  • 著者名/発表者名: Waditee-Sirisattha Rungaroon、Ito Hiroshi、Kageyama Hakuto
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 13190-13190
  • DOI: 10.1038/s41598-022-17406-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Discovery of spatial pattern of prickles on stem of Rosa hybrida ‘Red Queen’and mathematical model of the pattern (2021)
  • 著者名/発表者名: Amikura K, Ito H, & Kitazawa MS
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 号: 1 ページ: 13857-13857
  • DOI: 10.1038/s41598-021-93133-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Damped circadian oscillation in the absence of KaiA in Synechococcus (2020)
  • 著者名/発表者名: Kawamoto Naohiro、Ito Hiroshi、Tokuda Isao T.、Iwasaki Hideo
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 2242-2242
  • DOI: 10.1038/s41467-020-16087-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 個体集団が生み出す動的秩序～線虫の集団運動に よる動的ネットワーク形成 (2020)
  • 著者名/発表者名: 杉拓磨 伊藤浩史 永井健
  • 雑誌名: 生物物理 巻: 60 ページ: 6-12
  • NAID: 130007790196
• [雑誌論文] C. elegans collectively forms dynamical networks (2019)
  • 著者名/発表者名: Sugi Takuma、Ito Hiroshi、Nishimura Masaki、Nagai Ken H.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 号: 1 ページ: 683-683
  • DOI: 10.1038/s41467-019-08537-y
  • NAID: 120006558249
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 生物リズム・パターンのソフトロボティクスへの応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 伊藤浩史 杉拓磨 永井健
  • 雑誌名: 日本機械学会誌 巻: 122 ページ: 32-34
• [学会発表] Fabrication of Biological Rhythms and Patterns (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Ito
  • 学会等名: ReCAPS 10th Anniversary Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Circadian rhythm of two strains of morning glory with different flowering times (2023)
  • 著者名/発表者名: Umezu Haruna, Takiko Kozuma, Sota Hase, Eiji Nitasaka, Tokitaka Oyama, Hiroshi Ito
  • 学会等名: Plant and Chronobiology Talks for Youth
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of Circadian Rhythms of Non-model Plants via Gene Gun (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Ito
  • 学会等名: Plant and Chronobiology Talks for Youth
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 概日時計ゆらぎ機能のデザイン (2023)
  • 著者名/発表者名: 梶穂高, 森史, 伊藤浩史
  • 学会等名: 時間生物学会年会
• [学会発表] 光合成を行わない細菌の概日リズムの可能性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 鍵山京佳, 伊藤浩史
  • 学会等名: 時間生物学会年会
• [学会発表] 開花時刻の異なる2系統のアサガオの概日リズム (2023)
  • 著者名/発表者名: 梅津晏奈, 上妻多紀子, 長谷颯太, 仁田坂英二, 小山時隆, 伊藤浩史
  • 学会等名: 時間生物学会年会
• [学会発表] 高速分裂するシアノバクテリアの概日リズム (2023)
  • 著者名/発表者名: 富永直, 今井圭子, 伊藤浩史
  • 学会等名: 時間生物学会年会
• [学会発表] What makes cellular clock more precise (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Ito
  • 学会等名: 時間生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Fabrication of biological oscillators and patterns (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Ito
  • 学会等名: Adaptive Motion of Animals and Machines
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 時計の針とゆらぎ (2023)
  • 著者名/発表者名: 伊藤浩史
  • 学会等名: CyanoClock 4.0
• [学会発表] 概日時計のゆらぎ (2022)
  • 著者名/発表者名: 伊藤浩史
  • 学会等名: MIMS研究集会「現象と数理モデル」
• [学会発表] 振動子間の非対称な結合強度をスパイク時刻データだけから推定する (2021)
  • 著者名/発表者名: 森史、岩見貴弘、郡宏、伊藤浩史
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [学会発表] 概日リズムの出力系のゆらぎ (2021)
  • 著者名/発表者名: 梶穂高, 森史, 伊藤浩史
  • 学会等名: 第127回日本物理学会九州支部例
• [学会発表] 同期している振動子間の非対称な結合強度の推定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 森史, 岩見貴弘, 郡宏, 伊藤 浩史
  • 学会等名: 第127回日本物理学会九州支部例会
• [学会発表] 数理モデルは概日リズム研究のガイドになる (2021)
  • 著者名/発表者名: 伊藤浩史
  • 学会等名: 生物統計と数理生物：似ているようで異なる生物へのアプローチ
• [学会発表] 生物リズム、パターンの生まれ方 (2021)
  • 著者名/発表者名: 伊藤浩史
  • 学会等名: 創造する天然知能としての「わたし」の理論と実践・研究会
• [学会発表] Speech recognition by chromatophores of squid via reservoir computing (2021)
  • 著者名/発表者名: Ruki Sho, Toma Yamagawa, Honoka Moribe, Kohei Nakajima, Hiroshi Ito
  • 学会等名: MHS
  • 国際学会
• [学会発表] Soft clock: fabrication and control of biological clock (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Ito
  • 学会等名: MHS
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 分裂速度の速いシアノバクテリアの概日リズム (2021)
  • 著者名/発表者名: 國弘暉, 今井圭子, 伊藤浩史
  • 学会等名: 時間生物学会
• [学会発表] Which clock is master? : inference of asymmetric interaction intensities in coupled oscillators (2021)
  • 著者名/発表者名: 森史, 岩見貴弘, 郡宏, 伊藤浩史
  • 学会等名: 時間生物学会
• [学会発表] 低温下におけるシロイヌナズナ1細胞の概日リズム (2021)
  • 著者名/発表者名: 中村光洋 , 上妻多紀子, 梅津晏奈, 小山時隆, 伊藤浩史
  • 学会等名: 時間生物学会
• [学会発表] 時計のゆらぎ (2021)
  • 著者名/発表者名: 伊藤浩史
  • 学会等名: CyanoClock
• [学会発表] Frequency-Amplitude relation in circadian rhythm (2020)
  • 著者名/発表者名: Tetsuhiro Hataekyama, Irina Miahlcescu, Hiroshi Ito
  • 学会等名: 日本時間生物学会
• [学会発表] 概日リズムの３要素を関係づける (2020)
  • 著者名/発表者名: 伊藤浩史
  • 学会等名: 九州山口沖縄リズム研究会
• [学会発表] 体内時計を冷やす (2020)
  • 著者名/発表者名: 伊藤浩史
  • 学会等名: MIMS 現象と数理モデル
• [学会発表] 生物リズム・パターンの制御 (2019)
  • 著者名/発表者名: 伊藤浩史, 杉拓磨, 永井健
  • 学会等名: 自律分散シンポジウム
• [学会発表] たよりないものをあつめてたよりがいのあるものを作る (2019)
  • 著者名/発表者名: 伊藤浩史
  • 学会等名: 共創学会
• [学会発表] Reconstitution of biological rhythms and pattern with living matter (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Ito, Takuma Suigi, Ken H Nagai
  • 学会等名: Robo Soft
  • 国際学会
• [学会発表] Individual cyanobacterial circadian rhythms under low temperature conditions (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Ito
  • 学会等名: European Biological Rhythms Society Congress
  • 国際学会
• [学会発表] 理論は実験のガイドになる (2019)
  • 著者名/発表者名: 伊藤浩史
  • 学会等名: 時間生物学会
• [学会発表] Reconstituted cyanobacterial circadian clock in cold conditions (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Ito
  • 学会等名: Malaysia International Genetics Congress
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 振幅からみた時間生物学 (2018)
  • 著者名/発表者名: 伊藤浩史
  • 学会等名: 時間生物学会
• [図書] The Science of Soft Robots (2023)
  • 著者名/発表者名: Ito H and Sugi T
  • 総ページ数: 406
  • 出版者: Springer
  • ISBN: 9789811951732
• [図書] 温度ストレスによる生体応答ダイナミクス (2023)
  • 著者名/発表者名: 伊藤浩史
  • 総ページ数: 384
  • 出版者: NTS出版
  • ISBN: 9784860438302
• [図書] Cyanobacterial Physiology From Fundamentals to Biotechnology (2022)
  • 著者名/発表者名: Ito H
  • 総ページ数: 252
  • 出版者: Elsevier
  • ISBN: 9780323961066
• [図書] Circadian Rhythms in Bacteria and Microbiomes (2021)
  • 著者名/発表者名: Ito H, Murayama Y, Kawamoto N, Seki M Iwasaki, H.
  • 総ページ数: 349
  • 出版者: Springer
• [備考] https://www.design.kyushu-u.ac.jp/~hito/
• [備考] http://www.design.kyushu-u.ac.jp/~hito/
• [備考] 伊藤浩史研究室
  • URL: http://www.design.kyushu-u.ac.jp/~hito/
• [備考] 杉拓磨ホームページ
  • URL: http://takumasugi.com/
• [備考] 永井健ホームページ
  • URL: https://www.jaist.ac.jp/areas/bb/laboratory/nagai.html