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動植物の組織中の細胞や微生物集団の多くは、環境中の栄養濃度や細胞密度などの情報を集団内で処理している。環境変化に対する細胞集団レベルの応答には、大きくわけて２種類が知られている。細胞ごとに内在する不均一性を抑えて集団全体が揃って応答する場合と、各細胞が不均一に応答しながらも応答する細胞の比率が細胞密度に依存して徐々に変化する場合である。どちらの場合も各細胞の生化学反応はスイッチ的に変化し、反応回路の構造も同一であるにも拘らず、集団的な応答に違いを生む反応回路の特性はよくわかっていない。我々は、バクテリアやアメーバ細胞の集団的応答の定量的実験結果に基づいて、フリーパラメータの無い数理モデルを構築した。各細胞が、細胞密度に依存してシグナル分子を合成し、細胞外に分泌することで細胞間相互作用をする。このモデルを解析した結果、この２種類の集団的な応答を切り替える１つの実測可能な無次元パラメータを発見した。その値を複数の種のバクテリアの遺伝子回路で推定すると、興味深いことに、双方の集団的応答が切り替わる境界に近かった。即ち、生存環境に応じて双方の集団応答を選択的に利用するのに、これらのバクテリアは最適化されていることが示唆された。これらの集団的意思決定の設計原理は、シグナル入力の分子メカニズムにも依存しない頑健性を持つ。このパラメータを実験的に制御することにより、私たちは細胞集団の振る舞いを予測し、デザインし、構成的に理解できる。
さらに細胞接着などの物理的接触を介した集団的応答を解析した。物理的な力が細胞の形の恒常性の破綻や維持に果たす役割はよくわかっていない。そこで、多細胞組織の力学研究でよく用いられる数理モデルを用いて、分裂速度の異なる二種類の細胞を混ぜた状態をモデルで作成したところ、二種類の細胞の境界でのみ細胞が押しつぶされたように変形し、張力が異常に高いことも分かった。
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