| 研究領域 | 素材によって変わる、『体』の建築工法 |
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| 研究課題/領域番号 |
20H05947
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| 研究種目 |
学術変革領域研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
学術変革領域研究区分(Ⅲ)
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
井上 康博 京都大学, 工学研究科, 教授 (80442929)
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| 研究期間 (年度) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
64,870千円 (直接経費: 49,900千円、間接経費: 14,970千円)
2024年度: 13,780千円 (直接経費: 10,600千円、間接経費: 3,180千円)
2023年度: 13,780千円 (直接経費: 10,600千円、間接経費: 3,180千円)
2022年度: 13,780千円 (直接経費: 10,600千円、間接経費: 3,180千円)
2021年度: 13,130千円 (直接経費: 10,100千円、間接経費: 3,030千円)
2020年度: 10,400千円 (直接経費: 8,000千円、間接経費: 2,400千円)
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| キーワード | 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 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
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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| 研究実績の概要 |
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。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
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。
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| 今後の研究の推進方策 |
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。
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