2023 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Material properties determine body shapes and their constructions |
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| Project/Area Number |
20H05947
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
井上 康博 京都大学, 工学研究科, 教授 (80442929)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Keywords | ３D形態形成 / 数理モデル / 生物物理学 / 発生生物学 / 計算力学 / 工学的応用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、生物の3D形態形成を支配する面積拡大率分布を定量的に推定する革新的な手法を開発し、実際のカブトムシの発生過程の解析に適用することにより、ツノ原基の左右の端における面積拡大率の高さを明らかにした。さらに、3次元空間における上皮単層の形態形成をシミュレーションするために、細胞中心モデルに基づく数理モデルを新たに構築し、面内変形、面外変形、およびアピカル収縮による陥入のシミュレーションを行い、その有効性を検証した。これらの研究成果を、理論生物学分野で長年にわたり専門誌として認められているJournal of Theoretical Biologyに発表した。また、開発した解析手法をオープンソースとして公開し、研究コミュニティ全体で広く活用できるようになった。
これらの研究成果を有機的に連携させることにより、生物の3D形態形成メカニズムの解明に大きく貢献することが期待される。具体的には、実験で得られた面積拡大率分布のデータを、細胞中心モデルに基づく数理モデルに適用することで、より精緻な3D形態形成のシミュレーションが可能となる。これにより、実験のみでは観察が困難な形態形成の中間過程を予測し、形態形成を制御する主要な因子を特定することが可能となる。さらに、このアプローチを様々な生物の3D形態形成に適用することで、形態形成の普遍的な原理の解明につながることが期待される。オープンソースとして公開された解析手法は、他の研究者による更なる発展や応用を促進し、この分野の研究の進展に大きく寄与すると考えられる。
また、本学術変革領域研究のもう１つの特徴である工学の観点からの研究として、生物の形態形成プロセスに学んだ新しいモノづくり手法を提案し、日本機械学会バイオエンジニアリング講演会および同バイオフロンティア講演会において、それぞれ講演優秀表彰を受けている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題が順調に進んでいる理由は、以下の点にまとめられる。まず、生物の3D形態形成を支配する面積拡大率分布を定量的に推定する革新的な手法を開発し、実験と理論を融合させた研究アプローチの有効性を示した。次に、3次元空間における上皮単層の形態形成をシミュレーションする細胞中心モデルに基づく数理モデルを構築し、その有効性を検証することで、形態形成の中間過程を予測し、主要な因子を特定することが可能となり、本研究課題の目的を達成した。さらに、開発した解析手法をオープンソースとして公開し、研究コミュニティ全体での活用と発展を促進した。加えて、生物の形態形成プロセスに学んだ新しいモノづくり手法を提案し、機械工学分野での講演優秀表彰を受けたことで、工学的観点からの研究の進展を示した。以上より、本研究課題は多角的なアプローチにより、生物の3D形態形成メカニズムの解明に向けて順調に進んでいると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究推進方策としては、まず、開発した革新的な手法を様々な生物種やin vitro系の3D形態形成にも適用し、その普遍性と特異性を明らかにすることで、生物の形態形成メカニズムの理解をさらに深化させる。次に、既に実現している複数の細胞が協調的に働く組織レベルでの形態形成シミュレーションをさらに発展させ、より複雑な形態形成過程の再現を目指す。また、パラメータ推定を理論的に正しく行うために、今年度から取り組み始めたデータ同化手法を完成させ、実験データと数理モデルの融合を図る。これにより、実験と理論の相互フィードバックによる研究の効率化と新しい発見の促進が期待される。さらに、工学的観点からの研究をさらに発展させ、生物の形態形成原理に基づいた新しい材料やデバイスの設計・製作につなげていく。これらの研究推進方策を有機的に連携させることで、生物の3D形態形成メカニズムの解明とその工学的応用の両面で、大きな進展が期待される。
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