ゲノムスケールヒト代謝のdFBAモデル開発と多剤併用療法への応用

• 研究課題/領域番号: 16H02898
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 生命・健康・医療情報学
• 研究機関: 九州工業大学
• 研究代表者: 倉田 博之 九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 教授 (90251371)
• 研究協力者: 酒井 康行
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円); 2018年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円); 2017年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円); 2016年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円)
• キーワード: 全細胞シミュレーション / 数理モデリング / システム解析 / ヒト生理学 / 薬物動態学 / 代謝 / ネットワーク / 動力学 / 肝臓 / システム生物学 / シミュレーション / 数理モデル / インスリン / 合成生物学 / 代謝ネットワーク / コンピュータシミュレーション / 数学モデル

研究成果の概要

既存の実験データを正確に再現する細胞の中心代謝システムの詳細な動力学モデルを開発した。器官（血管、肝臓、心臓、腎臓、脂肪組織、肺、骨格筋、脳）ごと、疾 患タイプごとに変化する代謝ネットワークマップを構築し、環境ストレス（基質濃度、薬物濃度）に対する臓器連関ネットワーク中の代謝物濃度の時間変化を予測するダイナミックモデルを開発した。投薬の影響をコンピュータシミュレーションし、副作用の影響を解析した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

世界でもっとも正確な細胞の中心代謝モデルの動力学モデルを開発した。また、従来の薬物動態モデルにおけるブラックボックス部分をヒト代謝ネットワークモデルで表現して、ホルモンや医薬品が全身の代謝に与える影響を予測するダイナミックモデル（創薬CAD）を開発した。創薬CADは、実験費用や時間を大幅に節約する。がん代謝をメカニズムに基づいて数理的に解析するシステム生物医学への道を拓いた。

研究成果

• [国際共同研究] VU University(オランダ)
• [国際共同研究] University of Rajshahi(バングラデシュ)
• [雑誌論文] PreAIP: Computational Prediction of Anti-inflammatory Peptides by Integrating Multiple Complementary Features (2019)
  • 著者名/発表者名: Khatun Mst. Shamima、Hasan Md. Mehedi、Kurata Hiroyuki
  • 雑誌名: Frontiers in Genetics 巻: 10 ページ: 1-10
  • DOI: 10.3389/fgene.2019.00129
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Large-Scale Assessment of Bioinformatics Tools for Lysine Succinylation Sites (2019)
  • 著者名/発表者名: Hasan Md. Mehedi、Khatun Mst. Shamima、Kurata Hiroyuki
  • 雑誌名: Cells 巻: 8 号: 2 ページ: 95-95
  • DOI: 10.3390/cells8020095
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Improved kinetic model of Escherichia coli central carbon metabolism in batch and continuous cultures (2018)
  • 著者名/発表者名: Kurata Hiroyuki、Sugimoto Yurie
  • 雑誌名: J Bioscie Bioeng 巻: 125 号: 2 ページ: 251-257
  • DOI: 10.1016/j.jbiosc.2017.09.005
  • NAID: 40021471336
  • 査読あり
• [雑誌論文] Long negative feedback loop enhances period tunability of biological oscillators (2018)
  • 著者名/発表者名: Maeda Kazuhiro、Kurata Hiroyuki
  • 雑誌名: Journal of Theoretical Biology 巻: 440 ページ: 21-31
  • DOI: 10.1016/j.jtbi.2017.12.014
  • 査読あり
• [雑誌論文] A novel isolation method for cancer prognostic factors via the p53 pathway by a combination of in vitro and in silico analyses (2018)
  • 著者名/発表者名: Kamijo Y, Kawahara K, Yoshinaga T, Kurata H, Arima K, Furukawa T.
  • 雑誌名: Oncoscience 巻: 5 号: 3-4 ページ: 88-98
  • DOI: 10.18632/oncoscience.411
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] libRCGA: a C library for real-coded genetic algorithms for rapid parameter estimation of kinetic models (2018)
  • 著者名/発表者名: Maeda Kazuhiro、Boogerd Fred C.、Kurata Hiroyuki
  • 雑誌名: IPSJ Transactions on Bioinformatics 巻: 11 号: 0 ページ: 31-40
  • DOI: 10.2197/ipsjtbio.11.31
  • NAID: 130007483197
  • ISSN: 1882-6679
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] iLMS, Computational Identification of Lysine-Malonylation Sites by Combining Multiple Sequence Features (2018)
  • 著者名/発表者名: Hasan Md. Mehedi、Kurata Hiroyuki
  • 雑誌名: Proceedings of IEEE 18th International Conference on Bioinformatics and Bioengineering 巻: 1 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1109/bibe.2018.00077
  • 査読あり
• [雑誌論文] SIPMA: A Systematic Identification of Protein-Protein Interactions in Zea mays Using Autocorrelation Features in a Machine-Learning Framework (2018)
  • 著者名/発表者名: Khatun Mst. Shamima、Hasan Md. Mehedi、Mollah Md. Nurul Haque、Kurata Hiroyuki
  • 雑誌名: Proceedings of IEEE 18th International Conference on Bioinformatics and Bioengineering 巻: 1 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1109/bibe.2018.00030
  • 査読あり
• [雑誌論文] Modeling and simulation of the redox regulation of the metabolism in Escherichia coli at different oxygen concentrations (2017)
  • 著者名/発表者名: Matsuoka Yu、Kurata Hiroyuki
  • 雑誌名: Biotechnol Biofules 巻: 10 号: 1 ページ: 1-15
  • DOI: 10.1186/s13068-017-0867-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mathematical comparison of memory functions between mutual activation and repression networks in a stochastic environment (2017)
  • 著者名/発表者名: Hasan A.B.M. Shamim Ul、Kurata Hiroyuki
  • 雑誌名: J Theor Biol 巻: 427 ページ: 28-40
  • DOI: 10.1016/j.jtbi.2017.05.036
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of an accurate kinetic model for the central carbon metabolism of Escherichia coli. (2016)
  • 著者名/発表者名: Nusrat Jahan, Kazuhiro Maeda, Yu Matsuoka, Yurie Sugimoto, Hiroyuki Kurata.
  • 雑誌名: Microbial Cell Factories 巻: 15 号: 1 ページ: 112-112
  • DOI: 10.1186/s12934-016-0511-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] S-system-based Analysis of the Robust Properties Common to Many Biochemical Network Models (2016)
  • 著者名/発表者名: Yu Matsuoka, Nusrat Jahan, Hiroyuki Kurata
  • 雑誌名: Bioprocess Biosyst Eng 巻: 39 号: 5 ページ: 735-746
  • DOI: 10.1007/s00449-016-1554-4
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Web application for Genetic Modification Flux with database to estimate metabolic fluxes of genetic mutants (2016)
  • 著者名/発表者名: Noorlin Mohd Ali, Ryo Tsuboi, Yuta Matsumoto, Daisuke Koishi, Kentaro Inoue, Kazuhiro Maeda, and Hiroyuki Kurata
  • 雑誌名: Journal of Bioscience and Bioengineering 巻: 印刷中 号: 1 ページ: 111-116
  • DOI: 10.1016/j.jbiosc.2015.12.001
  • NAID: 40020886002
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 代謝均等分解サイクルのReLU応答の解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 倉田博之
  • 学会等名: 化学工学会第84回年会
• [学会発表] 酵素濃度や複数炭素源が代謝に及ぼす影響を考慮した大腸菌の中心代謝モデルの開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 松岡結，倉田博之
  • 学会等名: 化学工学会第50回秋季大会
• [学会発表] 嫌気好気条件下での回分培養大腸菌の代謝動力学モデル (2018)
  • 著者名/発表者名: 松岡結, 倉田博之
  • 学会等名: 化学工学会第83回年会
• [学会発表] 細胞の全代謝動力学モデルの開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 倉田博之
  • 学会等名: 電子情報通信学会2018年総合大会
  • 招待講演
• [学会発表] Virtual cell metabolism for systems and synthetic biology (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Kurata
  • 学会等名: International Conference on Bioinformatics and Biostatistics for Agriculture, Health and Environment
  • 発表場所: Rajshahi (Bangladesh)
  • 年月日: 2017-01-20
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] スマートセルインダストリーを指向した中心代謝系の定量的モデル (2017)
  • 著者名/発表者名: 松岡結, 倉田博之
  • 学会等名: 生命医薬情報学連合大会
• [学会発表] 細胞工場のコンピュータ支援設計 (2017)
  • 著者名/発表者名: 倉田博之
  • 学会等名: 化学工学会第49回秋季大会
• [学会発表] A Large-Scale Dynamic Model of Central Carbon Metabolism for Rational Design of Cell Factories. (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Kurata
  • 学会等名: 5th International Conference on Biological and Medical Sciences
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] バーチャルメタボリズムの開発と医療への応用 (2016)
  • 著者名/発表者名: 倉田 博之
  • 学会等名: 化学工学会第48回秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学 徳島大学
  • 年月日: 2016-09-06
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] Computer Aided Design of Living Systems (CADLIVE)
  • URL: http://www.cadlive.jp/
• [備考] cadlive
  • URL: http://www.cadlive.jp
• [備考] CADLIVE
  • URL: http://www.cadlive.jp