Optimal information processing in biophysical networks

• 研究課題/領域番号: 18K03473
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分13010:数理物理および物性基礎関連
• 研究機関: 沖縄科学技術大学院大学
• 研究代表者: PIGOLOTTI Simone 沖縄科学技術大学院大学, 生物複雑性ユニット, 教授 (30812193)
• 研究分担者: CHIUCHIU Davide 沖縄科学技術大学院大学, 生物複雑性ユニット, ポストドクトラルスカラー (40817491)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2020年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2019年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2018年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: Information processing / Polymerization / Kinetic Proofreading / Speed-error tradeoff / Chemical networks / Information theory / Polymerization Kinetic / Proofreading Speed-error / tradeoff Chemical / networks Information / thermodynamics / Thermodynamics / Biophysical models / Statistical Physics

研究成果の概要

このプロジェクトの目的は、情報を複製する分子の最適な性能を特徴づけることである。生物学で最も重要な例は、DNAのコピーを担当する分子である。我々のプロジェクトは、これらの分子の物理的限界を、速度、精度、散逸の観点から明らかにした。また、分子の性能のばらつきを調べ、このばらつきを利用して分子の機能を理解する方法についても研究した。我々のプロジェクトは理論的なものであったが、実験グループと共同して予測の検証もした。特に、細菌のDNA複製時の速度変動と、生物学で多くの応用があるポリメラーゼ連鎖反応（PCR）を最適化する方法について研究した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

From the scientific point of view, our project made significant steps to understand replication of information in biology in a quantitative way. Its application can have a deep societal relevance for understanding genetic diseases and for optimizing widely used techniques such as PCR.

研究成果

• [雑誌論文] Pareto optimal fronts of kinetic proofreading (2023)
  • 著者名/発表者名: Davide Chiuchiu, Shrabani Mondal, Simone Pigolotti
  • 雑誌名: New Journal of Physics 巻: 25 号: 4 ページ: 0430007-0430007
  • DOI: 10.1088/1367-2630/acc757
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Error-suppression mechanism of PCR by blocker strands (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Aoyanagi, Simone Pigolotti, Shinji Ono, Shoichi Toyabe
  • 雑誌名: Biophysical Journal 巻: 122 号: 7 ページ: 1334-1341
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2023.02.028
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Physical bioenergetics: Energy fluxes, budgets, and constraints in cells (2021)
  • 著者名/発表者名: X. Yang, M. Heinemann, J. Howard, G. Huber, S. Iyer-Biswas, G. Le Treut, M. Lynch, K. L. Montooth, D. J. Needleman, S. Pigolotti, J. Rodenfels, P. Ronceray, S. Shankar, I. Tavassoly, S. Thutupalli, D. V. Titov, J. Wang, and P. J. Foster
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. 巻: 118 号: 26
  • DOI: 10.1073/pnas.2026786118
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Error-speed correlations in biopolymer synthesis (2019)
  • 著者名/発表者名: D. Chiuchiu, Y. Tu, S. Pigolotti
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 123, 038101, arXiv:1905.12869 巻: -
• [雑誌論文] Assembly of heteropolymers via a continuous reaction coordinate (2019)
  • 著者名/発表者名: D. Chiuchiu, J. Ferrare, S. Pigolotti
  • 雑誌名: Phys. Rev. E 100, 062502, arXiv:1905.05490 巻: -
• [学会発表] Speed variations of bacterial replisomes (2023)
  • 著者名/発表者名: Simone Pigolotti
  • 学会等名: APS March Meeting 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Speed variations of bacterial replisomes (2022)
  • 著者名/発表者名: Simone Pigolotti
  • 学会等名: The 3rd Workshop on Stochasticity and Fluctuations in Small Systems
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Optimality in biological proofreading (2022)
  • 著者名/発表者名: Shrabani Mondal
  • 学会等名: APS March Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Information processing in cells: from CRISPR to replisomes (2021)
  • 著者名/発表者名: Simone Pigolotti
  • 学会等名: APCTP Frontiers in Theoretical Biophysics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Thermodynamics of Error Correction (2021)
  • 著者名/発表者名: Simone Pigolotti
  • 学会等名: Max-Planck Institute for Dynamics and Self-Organization
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Error-speed correlations in biopolymer synthesis (2021)
  • 著者名/発表者名: Davide Chiuchiu
  • 学会等名: APS March Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Thermodynamics of Error Correction (2020)
  • 著者名/発表者名: Simone Pigolotti
  • 学会等名: ICTP (International Centre for Theoretical Physics)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Error-speed correlations of biopolymer synthesis. (2020)
  • 著者名/発表者名: Davide Chiuchiu
  • 学会等名: Biophysical society 2020, San Diego USA
  • 招待講演
• [学会発表] A physical perspective on polymerases (2020)
  • 著者名/発表者名: Davide Chiuchiu
  • 学会等名: National Insitute for Environmental Health Science, Durham, USA
  • 招待講演
• [学会発表] Error-speed correlations in biopolymer synthesis (2019)
  • 著者名/発表者名: Simone Pigolotti
  • 学会等名: the 57th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan in Miyazaki
  • 招待講演
• [学会発表] Replication, error, and emergence of life (2019)
  • 著者名/発表者名: Shoichi Toyabe
  • 学会等名: Biological Complexity Unit in Okinawa
  • 招待講演
• [学会発表] Error-speed correlations of biopolymer synthesis. (2019)
  • 著者名/発表者名: Davide Chiuchiu
  • 学会等名: ICSB conference in Okinawa
  • 招待講演
• [備考] Error-speed correlations in biopolymer synthesis
  • URL: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.038101
• [備考] Assembly of heteropolymers via a continuous...
  • URL: https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.100.062502