任意形状の細胞集団の動態を記述可能な数理モデルの開発

开发可以描述任意形状细胞群动态的数学模型

• 批准号: 20K14424
• 负责人: 舘野 道雄
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K14424/
• 关键词: 細胞極性形成; パターン形成; 反応拡散系; 相分離; ブラウン動力学法; Phase field 法; 多細胞シミュレーション; 細胞極性; 細胞の集団運動; フェーズフィールド法; レオロジー; 細胞選別

昨年度までの研究により、細胞極性の連続体モデル(質量保存型の反応拡散系、MCRD)が保存系の相分離に類似したパターン形成や相図を示すこと、また、この系に界面張力的な量が存在し、これがパターンの粗大化のダイナミクスを制御することを示した。この相分離的な挙動の背後にある物理的なメカニズムをミクロな観点から理解することを最終的な目標に、今年度は対応する粒子モデルの開発を試みた。MCRDの化学反応モデルとして、数理な解析が比較容易な化学種が数個のものが複数提案されているが、これらは系がパターンの粗大化を示すように発見的に構築されたモデルであるため、粒子レベルの反応経路は明らかではない。他方で、細胞極性を制御するタンパク質の化学反応ネットワークについては、化学種や反応係数も含め、実験的に詳細に調べられている。既存研究により、この実験結果を精密に取り入れた粒子シミュレーションがMCRDに見られるパターン形成を再現することが報告されている。しかしながら、これらのモデルの煩雑性のため(十以上の化学種の時間発展を同時に取り扱う必要がある)パターン形成の鍵となる物理因子を特定するには至っていない。以上のことを受けて、我々はMCRDの特徴を取り込んだ出来るだけシンプルな反応系として、２次反応以下・３成分の粒子レベルの反応系を考案した。この反応系を、ブラウン動力学法と event-driven 法をハイブリットさせた反応拡散系の粒子モデルに適用し、単純な問題として化学種の拡散係数が一定である場合の挙動を調べた。その結果、マクロな化学場の緩和過程が、既存のMCRDの連続体モデルに見られる典型的な力学系を定性的に再現することが分かった。

直到去年的研究表明，细胞极性连续模型（质量保存的反应扩散系统，MCRD）显示了模式的形成和相图，类似于保守系统中相似的相位分离，并且该系统中存在界面张力，该系统控制了该模式的变形动力学。从微观的角度来理解这种相分开行为背后的物理机制的最终目标，今年我们试图开发相应的粒子模型。已经提出了几种易于在数学上比较的化学物种的几种化学反应模型，但是由于这些模型是启发式构造的，因此该系统显示了模式的变形，因此粒子水平的反应路径尚不清楚。另一方面，已经对控制细胞极性的蛋白质的化学反应网络进行了详细研究，包括化学物种和反应系数。现有研究报告说，结合了该实验结果的粒子模拟重新创建了MCRD中看到的模式形成。但是，由于这些模型的复杂性，尚未确定模式形成的关键物理因素（必须同时处理十多种物种的时间演变）。为了响应上述，我们设计了一个具有最少二次反应和三个组成部分的反应系统，作为一个简单的反应系统，该系统结合了MCRD的特征。将该反应系统应用于杂交布朗动力学方法和事件驱动方法的反应扩散系统的粒子模型，并且作为一个简单的问题，研究化学物种扩散系数的行为是恒定的。结果表明，宏观化学场弛豫过程定性地重现了现有MCRD连续模型中发现的典型动力学系统。

项目成果

Surface-tension-driven coarsening in mass-conserved reaction-diffusion systems

质量守恒反应扩散系统中表面张力驱动的粗化

• 发表时间: 2020
• 期刊: arXiv
• 作者: Tateno Michio;Ishihara Shuji
• 通讯作者: Ishihara Shuji

最新の研究 ネットワーク状の相分離構造の新たな成長則を発見

最新研究：发现网络状相分离结构的新生长定律

舘野道雄、石原秀至、田中肇

馆野道夫、石原英志、田中肇

• 发表时间: 2020
• 作者: 運動量保存則とブラウン粒子からなる液滴の熱運動

舘野道雄、石原秀至

馆野道夫、石原英志

• 发表时间: 2020
• 作者: Leilee Chojnacki;Rico Pohle;Han Yan;Yutaka Akagi;and Nic Shannon;Nomura Yusuke;質量保存を満たす反応拡散系にみられる相分離的な挙動
• 通讯作者: 質量保存を満たす反応拡散系にみられる相分離的な挙動

Interfacial-curvature-driven coarsening in mass-conserved reaction-diffusion systems

质量守恒反应扩散系统中界面曲率驱动的粗化

• DOI: 10.1103/physrevresearch.3.023198
• 发表时间: 2021
• 期刊: Physical Review Research
• 影响因子: 4.2
• 作者: 宮川一慶;高田弘樹;家永紘一郎;辻井宏之;橋爪健一;河江達也;仲田光樹;M. Tateno and S. Ishihara
• 通讯作者: M. Tateno and S. Ishihara