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生物の面構造を作る折り畳みと展開の力学

計画研究

研究領域素材によって変わる、『体』の建築工法
研究課題/領域番号 20H05947
研究種目

学術変革領域研究(A)

配分区分補助金
審査区分 学術変革領域研究区分(Ⅲ)
研究機関京都大学

研究代表者

井上 康博  京都大学, 工学研究科, 教授 (80442929)

研究期間 (年度) 2020-11-19 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
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)
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
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。

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。

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。

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。

報告書

(4件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (33件)

すべて 2024 2023 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (27件) (うち国際学会 8件、 招待講演 4件)

  • [国際共同研究] Johns Hopkins University(米国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Adhesion and shrinkage transform the rounded pupal horn into an angular adult horn in Japanese rhinoceros beetle2024

    • 著者名/発表者名
      Matsuda Keisuke、Adachi Haruhiko、Gotoh Hiroki、Inoue Yasuhiro、Kondo Shigeru
    • 雑誌名

      Development

      巻: 151 号: 20

    • DOI

      10.1242/dev.202082

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Computational mechanics simulations on epithelial folding (Strengths, insights, and future challenges)2024

    • 著者名/発表者名
      MORIKAWA Kentaro、INOUE Yasuhiro
    • 雑誌名

      Journal of Biomechanical Science and Engineering

      巻: 19 号: 2 ページ: 23-00562-23-00562

    • DOI

      10.1299/jbse.23-00562

    • ISSN
      1880-9863
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 形態形成を表す多細胞動力学の数理モデル2023

    • 著者名/発表者名
      井上 康博
    • 雑誌名

      応用数理

      巻: 33 号: 3 ページ: 133-140

    • DOI

      10.11540/bjsiam.33.3_133

    • ISSN
      2432-1982
    • 年月日
      2023-09-25
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Cell-center-based model for simulating three-dimensional monolayer tissue deformation2023

    • 著者名/発表者名
      Mimura Tomohiro、Inoue Yasuhiro
    • 雑誌名

      Journal of Theoretical Biology

      巻: 571 ページ: 111560-111560

    • DOI

      10.1016/j.jtbi.2023.111560

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Impact of environmental asymmetry on epithelial morphogenesis2022

    • 著者名/発表者名
      Morikawa Kentaro、Kuroda Daichi、Inoue Yasuhiro
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 12 号: 1

    • DOI

      10.1038/s41598-022-15343-y

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Multicellular dynamics simulation for understanding epithelial tissue morphogenesis2023

    • 著者名/発表者名
      Yasuhiro Inoue
    • 学会等名
      Africa International Biomedical and Biotechnology Conference
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Cell-Centered Dynamics Simulation of Three-Dimensional Epithelial Sheet Deformation2023

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Mimura, Yasuhiro Inoue
    • 学会等名
      12th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Inference of Area Expansion Rate Distribution in 3D Sheet Morphogenesis2023

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Morikawa, Shinichi Morita, Kazuki Sakura, Akiteru Maeno, Hiroki Gotoh, Teruyuki Niimi and Yasuhiro Inoue
    • 学会等名
      12th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Introduction to Material properties determine body shapes and their constructions2023

    • 著者名/発表者名
      Yasuhiro Inoue
    • 学会等名
      EMBO Workshop TSB Satellite Meeting
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 細胞重心運動に基づく3次元形態形成の数理モデル2023

    • 著者名/発表者名
      井上康博、三村知広
    • 学会等名
      第35回バイオエンジニアリング講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 幾何学からみた生物の曲面形態形成の解析手法2023

    • 著者名/発表者名
      森川健太郎, 森田慎一, 森田慎一, 左倉和喜, 左倉和喜, 前野哲輝, 後藤寛貴, 新美輝幸, 新美輝幸, 井上康博
    • 学会等名
      日本数理生物学会年会2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 棒状要素モデルによるブーリガ ン構造の回転積層メカニズムの 検討2023

    • 著者名/発表者名
      林 将也, 井上 康博, 森 川 健太郎, 三村 知広
    • 学会等名
      第33回バイオフロンティア講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 細胞中心モデルにおける曲率エ ネルギー離散化手法の比較2023

    • 著者名/発表者名
      三村 知広, 井上 康博
    • 学会等名
      第33回バイオフロンティア講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 蛹期ショウジョウバエ翅の折り たたみ過程の数理モデリング2023

    • 著者名/発表者名
      大住 翔平, 坪井 有寿, 井上 康博
    • 学会等名
      第33回バイオフロンティア講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 生物の曲面形態形成に学ぶシー ト材料への面積変化率の実装2023

    • 著者名/発表者名
      中村 拓未, 森川 健太郎, 松 本 嘉彦, 松田, 佳祐, 秋山 正和, 山﨑 慎太郎, 近藤 滋, 井上 康博
    • 学会等名
      第33回バイオフロンティア講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] グラフ理論を利用したBoolean Networkの安定ノードの計算2023

    • 著者名/発表者名
      五十嵐 康祐, 森川 健太 郎, 井上 康博
    • 学会等名
      第33回バイオフロンティア講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 上皮組織の皺形成の背後にある 位相欠陥による数学的制限2023

    • 著者名/発表者名
      池田 夏晶, 森川 健太 郎, 斉藤 稔, 井上 康博
    • 学会等名
      第33回バイオフロンティア講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 生物にあらわれるブーリガン構造の棒状要素モデル2023

    • 著者名/発表者名
      林将也,三村知広,森川健太郎,井上康博
    • 学会等名
      第35回バイオエンジニアリング講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] トーラス上の上皮皺形成におけるトポロジカル欠陥のダイナミクス2023

    • 著者名/発表者名
      池田夏晶,森川健太郎,斉藤稔, 井上康博
    • 学会等名
      第35回バイオエンジニアリング講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Feedback Vertex Set と振動領域に着目した Boolean Network の低次元化手法2023

    • 著者名/発表者名
      五十嵐康祐,森川健太郎,井上康博
    • 学会等名
      第35回バイオエンジニアリング講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 形態形成の理解に向けた細胞中心モデルの構築2023

    • 著者名/発表者名
      三村知広、井上康博
    • 学会等名
      第35回バイオエンジニアリング講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 展開して曲面形状となる皺構造の生成手法の開発2023

    • 著者名/発表者名
      森川健太郎、斉藤稔、井上康博
    • 学会等名
      第35回バイオエンジニアリング講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Estimation of the distribution of area expansion rates in epithelial morphogenesis with Markov chain Monte Carlo methods2022

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Morikawa, Shinichi Morita, Kazuki Sakura, Hiroki Gotoh, Teruyuki Niimi, Yasuhiro Inoue
    • 学会等名
      9th World Congress of Biomechanics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of adhesion points and area changes on epithelial morphogenesis2022

    • 著者名/発表者名
      Kouhei Ueda, Kentaro Morikawa, Shinichi Morita, Kazuki Sakura, Hiroki Gotoh, Teruyuki Niimi, Yasuhiro Inoue
    • 学会等名
      9th World Congress of Biomechanics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Three-dimensional simulation on skeletal frame formation of the sponge body2022

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Shimooka, Masakazu Akiyama, Noriko Funayama, Yasuhiro Inoue
    • 学会等名
      9th World Congress of Biomechanics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 物理的環境の非対称性が上皮折り畳みパターン選択に果たす役割2022

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Morikawa, Daich Kuroda, Yasuhiro Inoue
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 3 次元形態形成を表す隣接細胞間ネットワークモデル2022

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Mimura, Yasuhiro Inoue
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 非対称な物理的環境における上皮折り畳みシミュレー ション2022

    • 著者名/発表者名
      森川健太郎, 黒田大地, 井上康博
    • 学会等名
      日本機械学会 第34回バイオエンジニアリング講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 調和写像法を用いた上皮形態形成における面積拡大率分布の推定2022

    • 著者名/発表者名
      森川 健太郎, 森田 慎一, 左倉 和喜, 後藤 寛貴, 新美 輝幸, 井上 康博
    • 学会等名
      日本機械学会 第33回バイオフロンティア講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 三次元形態形成における上皮細胞シートの面積拡大率分布の推定手法の開発2022

    • 著者名/発表者名
      森川健太郎, 森田慎一, 左倉和喜, 後藤寛貴, 新美輝幸, 井上康博
    • 学会等名
      日本機械学会バイオフロンティア講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Yasuhiro Inoue, Simulation on phase propagation of gene expression oscillation focusing on cell shape2021

    • 著者名/発表者名
      Sakakibara Masato, Yasuhiro Inoue
    • 学会等名
      The 11th asian-pacific conference on biomechanics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 細胞形状に着目した遺伝子発現振動の位相伝播シミュレーション2021

    • 著者名/発表者名
      榊原 雅人, 井上 康博
    • 学会等名
      日本機械学会第33回バイオエンジニアリング講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

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公開日: 2020-11-24   更新日: 2024-12-25  

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