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環境変動に伴う大規模代謝反応システムの応答を効率よく解析するための手法開発と応用

公募研究

研究領域大地環境変動に対する植物の生存・成長突破力の分子的統合解析
研究課題/領域番号 25119719
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 生物系
研究機関九州大学

研究代表者

白石 文秀  九州大学, (連合)農学研究科(研究院), 教授 (90171040)

研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2015-03-31
研究課題ステータス 完了 (2014年度)
配分額 *注記
7,020千円 (直接経費: 5,400千円、間接経費: 1,620千円)
2014年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2013年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
キーワード代謝反応システム / 速度パラメーター / シロイヌナズナ / 数式モデリング / 感度解析 / 速度パラメーター決定法 / バイオケミカルシステム理論 / 無次元化 / 束縛条件
研究実績の概要

本年度は前年度に確立したべき乗則型数式モデル中の速度パラメーター決定法を使い、実際の代謝反応データから数式モデルの構築を行うとともに、そのシステムの特徴を明らかにした。また、本研究支援のため、感度計算を効率よく行うためのソフトの開発とその性能評価を行った。具体的には以下のようである。
最初に、定常状態にあるシロイヌナズナのカルス培養系で外部から細胞内へリジン、スレオニンを添加することで代謝物濃度の時間変化を誘引し、これをLC/MSにより測定して得たメタボロームデータに基づき、U-systemモデルを構築した。本モデルは、主要な代謝系中の351個の代謝物濃度、441個の流束の変化を記述する、細胞内代謝物濃度の時間変化から決定された、これまでに例のない大規模な代謝反応モデルである。これを用いてシステム解析を行い、またシステムが変動したとき元の状態へ復元する状況(環境突破力)をシミュレーションにより明らかにした。
つぎに、システム感度および固有値の超高精度計算について検討した。代謝反応ネットワークの特徴を明らかにする場合、感度計算の実行が最も効率的である。そこで、COSMOS (Computation of Sensitivities in Model ODE Systems)と名付けた大規模システムにも対応できる定常状態感度計算ソフトを開発した。本ソフトでは、定常状態値を簡単に探し出すための工夫やComplex-step法(計算値が丸め誤差程度である数値微分法)の導入により、機械精度と同等の奇跡的な精度で感度値計算を行う。また、ネットワークの特性を理解するのに不可欠な固有値の計算も超高精度で行われる。
さらに、我々が先に開発した動的感度ソフトSoftCADSを芳香族アミノ酸モデルへ適用して動的感度計算を行い、動的感度解析の重要性を明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

26年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

26年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2014 実績報告書
  • 2013 実績報告書
  • 研究成果

    (19件)

すべて 2015 2014 2013

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 6件、 オープンアクセス 1件、 謝辞記載あり 3件) 学会発表 (13件)

  • [雑誌論文] 大規模ネットワークシステムにおける固有値の効率的かつ信頼性の高い計算2015

    • 著者名/発表者名
      吉田恵梨歌、白石文秀
    • 雑誌名

      Eco-engineering

      巻: 27 ページ: 35-42

    • NAID

      130005073186

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] A U-system approach for predicting metabolic behaviors and responses based on an alleged metabolic reaction network.2014

    • 著者名/発表者名
      Sriyudthsak K, Sawada Y, Chiba Y, Yamashita Y, Kanaya S, Onouchi H, Fujiwara T, Naito S, Voit EO, Shiraishi F, Hirai MY
    • 雑誌名

      BMC Systems Biology

      巻: 8 号: S5

    • DOI

      10.1186/1752-0509-8-s5-s4

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] An efficient and very accurate method for calculating steady-state sensitivities in metabolic reaction systems2014

    • 著者名/発表者名
      F. Shiraishi, E. Yoshida, E. O. Voit
    • 雑誌名

      IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics

      巻: 11 ページ: 1077-1086

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] PENDISC: A Simple Method for Constructing a Mathematical Model from Time-Series Data of Metabolite Concentrations, Bulletin of Mathematical Biology2014

    • 著者名/発表者名
      K. Sriyudthsak, M. Iwata, M. Y. Hirai, and F. Shiraishi
    • 雑誌名

      Bulletin of Mathematical Biology

      巻: 印刷中

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Coarse but efficient identification of metabolic pathway systems2013

    • 著者名/発表者名
      M. Iwata, F. Shiraishi, E. O. Voit
    • 雑誌名

      International Journal of Systems Biology

      巻: 4 ページ: 57-72

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Estimation of kinetic parameters in an S-system equation model for ametabolic reaction system using the Newton-Raphson method2013

    • 著者名/発表者名
      Michio Iwata, Kansuporn Sriyudthsak, Masami Yokota Hirai and Fumihide Shiraishi
    • 雑誌名

      Mathematical Biosciences

      巻: VOL.248 ページ: 11-21

    • DOI

      10.1016/j.mbs.2013.11.002

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Understanding the dynamic behaviours of aspartate-family amino acids concentrations via mathematical model2015

    • 著者名/発表者名
      SRIYUDTHSAK Kansuporn, 澤田 有司, 千葉 由佳子, 山下 由衣, 桑原 亜由子, 金谷 重彦, 尾之内 均, 藤原 徹, 内藤 哲, 白石 文秀, 平井 優美
    • 学会等名
      第56回日本植物生理学会年会
    • 発表場所
      東京農業大学(東京都)
    • 年月日
      2015-03-16 – 2015-03-18
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] ネットワークシステムにおける定常状態感度計算ソフトCOSMOSの開発と性能評価2014

    • 著者名/発表者名
      白石文秀、吉田恵梨歌、Eberhard O. Voit
    • 学会等名
      第58回宇宙科学技術連合講演会
    • 発表場所
      長崎ブリックホール(長崎市)
    • 年月日
      2014-11-12 – 2014-11-14
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] 反応ネットワークの超高精度感度計算における定常状態反応物濃度の効率的決定2014

    • 著者名/発表者名
      吉田恵梨歌、白石文秀
    • 学会等名
      第46回化学工学会秋季大会
    • 発表場所
      九州大学(福岡市)
    • 年月日
      2014-09-17 – 2014-09-19
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] 時系列メタボロームデータを用いた大規模代謝反応システムの解析2014

    • 著者名/発表者名
      SRIYUDTHSAK Kansuporn、澤田有司、千葉由佳子、山下由衣、金谷重彦、尾之内均、藤原徹、内藤哲、白石文秀、平井優美
    • 学会等名
      第32回日本植物細胞分子生物学会
    • 発表場所
      いわて県民情報交流センター(盛岡市)
    • 年月日
      2014-08-21 – 2014-08-22
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] ネットワークシステムにおける定常状態感度の超高精度数値計算法2014

    • 著者名/発表者名
      白石文秀、吉田恵梨歌、Eberhard O. Voit
    • 学会等名
      2014生態工学会年次大会
    • 発表場所
      プラサヴェルデ(沼津市)
    • 年月日
      2014-06-27 – 2014-06-28
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Prediction of the dynamic behavior of metabolite concentrations in a large-scale pathway system2014

    • 著者名/発表者名
      SRIYUDTHSAK Kansuporn, Yuji Sawada, Yukako Chiba, Yui Yamashita, Shigehiko Kanaya, Hitoshi Onouchi, Toru Fujiwara, Satoshi Naito, Ebernard O. Voit, Fumihide Shiraishi and Masami Yokota Hirai
    • 学会等名
      Metabolomics 2014
    • 発表場所
      鶴岡市
    • 年月日
      2014-06-23 – 2014-06-26
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] A new technique for constructing a large-scale kinetic model to comprehensively understand metabolic regulatory mechanisms2014

    • 著者名/発表者名
      SRIYUDTHSAK Kansuporn, 澤田 有司, 千葉 由佳子, 山下 由衣, 金谷 重彦, 尾之内 均, 藤原 徹, 内藤 哲, 白石 文秀, 平井 優美
    • 学会等名
      植物生理学会
    • 発表場所
      富山大学
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 複素刻み微分法に基づくネットワークシステムの定常状態感度計算の超高精度化2014

    • 著者名/発表者名
      吉田恵梨歌、白石文秀
    • 学会等名
      化学工学会第79年会
    • 発表場所
      岐阜大学
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 動的対数ゲインのシステム解析への応用:代謝反応解析を例として2013

    • 著者名/発表者名
      白石文秀、宇野陽美、シユタサ・カンスポーン
    • 学会等名
      2013生態工学会年次大会
    • 発表場所
      玉川大学
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 代謝産物量の経時変化のデータを用いた代謝の数理モデリング手法の開発2013

    • 著者名/発表者名
      カンスポーン シユタサ、澤田有司、千葉由佳子、山下由衣、岩田通夫、尾之内均、内藤哲、白石文秀、平井優美
    • 学会等名
      日本植物学会年会
    • 発表場所
      北海道大学
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] A novel approach for understanding metabolic system: metabolomics-based mathematical modeling2013

    • 著者名/発表者名
      Masami Yokota HIRAI, Kansuporn SRIYUDTHSAK, Fumihide SHIRAISHI
    • 学会等名
      第24回シロイヌナズナ国際会議 (ICAR 2013)
    • 発表場所
      シドニー
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] S-システム型式を用いて大胆かつ効率よく代謝システムを数式化する方法の検討2013

    • 著者名/発表者名
      岩田通夫、白石文秀、Eberhard O. VOIT
    • 学会等名
      化学工学会第45回秋季大会
    • 発表場所
      岡山大学
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] PENDISC: Parameter Estimation in a Non-Dimensionalized S-system with Constraints2013

    • 著者名/発表者名
      Fumihide SHIRAISHI, Kansuporn SRIYUDTHSAK, Michio IWATA, Masami Yokota HIRAI
    • 学会等名
      21st Annual International Conference on Intelligent Systems for Molecular Biology (ISMB)
    • 発表場所
      ベルリン
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書

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公開日: 2013-05-15   更新日: 2019-07-29  

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