生体内反応のフロッケ・エンジニアリング

研究課題

研究課題/領域番号	23K25837
補助金の研究課題番号	23H01140 (2023)
研究種目	基盤研究(B)
配分区分	基金 (2024) 補助金 (2023)
応募区分	一般
審査区分	小区分13040:生物物理、化学物理およびソフトマターの物理関連
研究機関	東京大学
研究代表者	岡隆史東京大学, 物性研究所, 教授 (50421847)
研究分担者	永田崇東京大学, 物性研究所, 助教 (90589962)
研究期間 (年度)	2024-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス	交付 (2024年度)
配分額 *注記	18,720千円 (直接経費: 14,400千円、間接経費: 4,320千円) 2025年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円) 2024年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円) 2023年度: 6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円)
キーワード	生体内情報伝達ネットワーク / フロッケ・エンジニアリング / 統計力学
研究開始時の研究の概要	この研究は、生体内反応のフロッケ・エンジニアリングを通じて生命機能を制御する新しい理論と技術の開発を目指すことである。次の三つの分野の融合を基盤としている。生命科学: 生体分子の複雑な相互作用ネットワークが生命機能をどのように制御するかの理解を深め、特に遺伝子発現の確率的側面に焦点を当ている。量子物理学: フロッケ・エンジニアリングという技術を用いて、量子物質の非平衡状態を制御する方法を生体系に適用しようと試みている。トポロジカル物理学: 開放量子系のトポロジカル状態の理解を深め、それを生体系のネットワーク構造に応用することを目指している。
研究実績の概要	本研究は、理論と実験の協働により、細胞内の情報伝達ネットワークを制御する新規手法の開発を目指すものである。理論的アプローチ：非エルミート・フロケ化学反応モデルの構築理論サイドでは、非エルミートトポロジーとフロケ工学を融合させた新たな確率的化学反応モデルを提案した。特に以下の点に焦点を当てた：競合阻害という酵素触媒反応に特有の現象を、非エルミートタイトバインディングモデルとして再定式化。化学反応を、波動関数の時間発展として捉え直すことで、非エルミート物理特有の現象（スキン効果、ポンプ効果など）が反応ダイナミクスに与える影響を理論的に明示。基質を奪い合う複数の反応経路において、反応確率の空間的非局在化や、時間変調による選択的反応促進といった、従来モデルでは説明が困難だった効果を解明。これにより、動的制御下における反応選択性や情報伝達の効率に対し、新しい理論的枠組みを提供している。ケーススタディ：cAMP経路の時間変調下での競合阻害解析。具体的な応用として、細胞内シグナル伝達において中心的な役割を担うcAMP（cyclic AMP）経路を題材に選定。時間的に変調された反応速度のもとで、競合阻害の振る舞いとその制御可能性を解析した。実験的アプローチ：光遺伝学を用いた動的制御の検証実験面では、ロドプシンを用いた光遺伝学的手法の導入に向けて準備を進めている。これにより、化学反応ネットワークを光で時変制御し、理論で予測された非エルミート的・トポロジカルな反応効果を生体系で実証することを目指している。
現在までの達成度	現在までの達成度 2: おおむね順調に進展している理由理論モデルの構築は着目した自由度に応じて二種類がほぼ完成しており、それらの論文を今年度中に投稿予定です。理論としては非常に興味深い結果が得られたと考えています。実験についても光の強度を可変的に調整する特殊なライトを購入し、調整を行っているところです。
今後の研究の推進方策	今年度は実際の実験を実施し、理論模型と比較することになります。理論模型のパラメーターには実験データを反映させる必要があるので、その調整に時間がかかる恐れがあります。理論モデルをもとに計算コードを作成し、シミュレーションを行います。