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2019 年度 実施状況報告書

細菌集団の自己組織化予測のためのマルチレベルモデルの創成

研究課題

研究課題/領域番号 19K03645
研究機関京都大学

研究代表者

田崎 創平  京都大学, 高等研究院, 特定助教 (50713020)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
キーワード枯草菌 / バイオフィルム / ライフサイクル / 数理モデル / 遺伝子制御ネットワーク / 細胞タイプ制御 / マルチレベルモデル / データ同化
研究実績の概要

細菌集団の自己組織化のマルチレベル数理モデルを求めて、一細胞の状態制御、細胞集団動力学、細胞密度場、という3つのレベルの数理モデルを構築し、そしてそれらを結ぶマルチレベルモデリングの方法論を構築することを目指している。異なる細胞状態の制御が関わっていて、かつマクロな秩序形成と密接に結びついているものとして、細菌バイオフィルムのライフサイクル生成を研究した。このライフサイクルの本質をもつ単純なモデルとして、枯草菌の同心円状コロニーの形成を調べた。枯草菌は多様な細胞タイプを取ることができるが、その中でも、運動タイプと基質産生タイプがコロニー構築において交互に支配的になり、ライフサイクルが生成される。そこで本研究では、特にこれらの細胞タイプ間の制御と関連する遺伝子群の制御ネットワークおよびそのダイナミクスを記述する数理モデルを構築した。数理モデル解析と培養実験、遺伝子発現解析を組み合わせて研究を進めたところ、環境pHをはじめとする環境条件をどのように入力し、細胞タイプ制御に反映させているのかを明らかにした。結果として、一細胞の状態制御の基礎モデルが構築できた。さらに、マルチレベルアプローチとして、同心円状コロニー形成の数理モデルをいくつか試作した。異なる細胞タイプが組み込まれたこの数理モデルは、これまでに観察されてきた枯草菌コロニーの形成を統一的に再現するポテンシャルをもっている。この研究は、不均一な細胞集団のマルチモデルな数理モデリングを切り拓き、また、枯草菌コロニー形成における未解決問題を解いた点でも重要である。

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

本研究課題の本質的な点を集約した研究対象である、バイオフィルムのライフサイクル生成、そしてその単純モデルである同心円状コロニー形成の問題に着眼したことで、出発点である一細胞の状態制御の数理モデルの基礎を構築しただけでなく、巨視的コロニー形態のモデル、そしてマルチレベルモデリングまで切り込むことができた。

今後の研究の推進方策

枯草菌コロニー形成の未解決問題の解明について研究発表を進めたい。また、これまで一細胞の細胞タイプ制御の数理モデルに関して、運動タイプと基質産生タイプの2タイプしか考慮していなかった。そこでこの数理モデルを拡張する。細胞タイプ制御と関わるより多くの遺伝子群の抽出および遺伝子制御ネットワーク推定、動態モデル推定を行う。これにより細胞多様性を実現し、バイオフィルム形成機構の研究につなげる。その後、不均一な細胞集団のマルチレベルモデリングの理論についての整備を進める。

次年度使用額が生じた理由

当該年度の予算のうち次年度使用額は1割未満である。次年度の方が有効活用できると考えている。具体的には、当初計画における当該年度の論文掲載料の分が、次年度提出の論文で使用される。この点を除けば当初計画の通りであり、実験関連の消耗品、研究成果発表・情報収集のための旅費、その他、論文投稿料・学会参加費で使用する。

  • 研究成果

    (18件)

すべて 2020 2019

すべて 学会発表 (18件) (うち国際学会 5件、 招待講演 9件)

  • [学会発表] 細菌集団のライフサイクル2020

    • 著者名/発表者名
      田﨑 創平
    • 学会等名
      新学術領域「細胞社会ダイバーシティーの統合的解明と制御」第3回若手ワークショップ
  • [学会発表] 細胞のシグナル伝達系のデータ同化2020

    • 著者名/発表者名
      田﨑 創平
    • 学会等名
      第16回生物数学の理論とその応用
  • [学会発表] 細菌集団のライフサイクル2020

    • 著者名/発表者名
      田﨑 創平, 中山 まどか, 高木 泉, 東海林 亙
    • 学会等名
      新学術領域「細胞社会ダイバーシティーの統合的解明と制御」第5回公開シンポジウム
  • [学会発表] 枯草菌の集団形態形成(第1部:細菌の細胞ダイバーシティー(講演と実演)、第2部:枯草菌の集団形態形成(講演))2020

    • 著者名/発表者名
      田﨑 創平
    • 学会等名
      2019年度第9回明治非線型数理セミナー
    • 招待講演
  • [学会発表] 枯草菌の集団形態形成2020

    • 著者名/発表者名
      田﨑 創平
    • 学会等名
      第79回京都駅前セミナー
    • 招待講演
  • [学会発表] 枯草菌の細胞タイプ制御の数理モデルとヒステリシスの条件2019

    • 著者名/発表者名
      田﨑 創平, 中山 まどか, 高木 泉, 東海林 亙
    • 学会等名
      2019年度応用数学合同研究集会
  • [学会発表] Mesoderm cells collectively migrate in the form of dynamic meshwork during chick gastrulation2019

    • 著者名/発表者名
      Nakaya U, Tasaki S, Isomura A, Shibata T
    • 学会等名
      The 42nd Annual Meeting of The Molecular Biology Society of Japan
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] (特別実験講座)細菌集団のライフサイクル2019

    • 著者名/発表者名
      田﨑 創平
    • 学会等名
      数学と現象: Mathematics and Phenomena in Miyazaki (MPM) 2019
    • 招待講演
  • [学会発表] 枯草菌の集団形態形成2019

    • 著者名/発表者名
      田﨑 創平
    • 学会等名
      第17回関西学院大学数理・データ科学教育研究センター談話会
    • 招待講演
  • [学会発表] 細胞のシグナル伝達系のデータ同化シミュレーション2019

    • 著者名/発表者名
      柴田 達夫, 田﨑 創平
    • 学会等名
      2019年度(第29回)日本数理生物学会大会
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ニワトリ胚中胚葉細胞集団の動的な移動秩序形成2019

    • 著者名/発表者名
      田﨑 創平, 仲矢 由紀子, 柴田 達夫
    • 学会等名
      日本応用数理学会2019年度年会
  • [学会発表] Mesoderm cells collectively migrate in the form of dynamic meshwork during chick gastrulation2019

    • 著者名/発表者名
      Nakaya Y, Tasaki S, Isomura A, Shibata T
    • 学会等名
      EMBO-EMBL Symposium: Mechanical Forces in Development
    • 国際学会
  • [学会発表] 環境変動に対する枯草菌の集団形態2019

    • 著者名/発表者名
      田﨑 創平
    • 学会等名
      西日本非線形研究会2019
  • [学会発表] Challenge to uncover the mystery of meshwork structure of migrating mesoderm cell during chicken gastrulation2019

    • 著者名/発表者名
      Nakaya Y, Tasaki S, Isomura A, Shibata T
    • 学会等名
      新学術領域「細胞社会ダイバーシティーの統合的解明と制御」第4回公開シンポジウム
  • [学会発表] ニワトリ胚中胚葉細胞集団の動的な移動秩序形成2019

    • 著者名/発表者名
      田﨑 創平
    • 学会等名
      第12回SaMPLセミナー・2019年度第3回広島大学数学科談話会
    • 招待講演
  • [学会発表] Morphologies of Bacillus subtilis communities responding to environmental variation2019

    • 著者名/発表者名
      Tasaki S
    • 学会等名
      Modeling Biological Phenomena by Parabolic PDEs and their Analysis
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Roles of N-cadherin mediated cell-cell contact in collective cell migration during chick mesoderm formation2019

    • 著者名/発表者名
      Nakaya Y, Tasaki S, Isomura A, Shibata T
    • 学会等名
      52nd Annual Meeting of the Japanese Society of Developmental Biologists
    • 国際学会
  • [学会発表] 枯草菌の集団形態形成2019

    • 著者名/発表者名
      田﨑 創平
    • 学会等名
      第2回はこだて現象数理研究集会
    • 招待講演

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公開日: 2021-01-27  

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