Distribution-based design of stochastic response in biomolecular systems

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本年度は，生体分子システムの応答分布の過渡状態に着目し，揺らぎの動特性を解析・設計することにフォーカスを当て(1) 昨年度までに構築した定常応答特性の解析法の拡張，および(2)その実証用の細胞計測系の構築と検証を実施した．（1）については，応答分布のモーメント方程式に基づいて定常応答特性を解析するために開発した数理最適化問題を，動的な応答分布の設計に応用するための拡張を行い，数値例を用いて有効性の検証を行った．しかし，現在のアプローチでは最適化問題の変数が多く実用面での課題があることが判明したため，最初にシステムのパラメタ（反応速度定数）を変数として保存したまま方程式の次数を低次元化する方法を検討する方針に切り替え，モデル低次元化アルゴリズムに関する基礎的な成果を得た．（2）については，前年度までに，培養細胞に動的な化学的入力(正弦波や鋸歯状波様の濃度変化)を印加して，入出力応答の揺らぎを計測するための刺激入力装置に相当するマイクロ流体デバイスを作成していたため，今年度はその下流で細胞培養を行い，入出力応答の揺らぎを計測する実験を実施した．具体的には，マウス筋芽細胞(C2C12)をスライドガラスに接着した流体デバイス中で，アデノシン三リン酸(ATP)を含む緩衝液を入力した際のカルシウムイオン濃度の動特性を計測する系を構築し，前年度に構築した流体デバイスと接続して細胞ごとの入出力応答の揺らぎを計測する系を確立した．さらに，細胞内の反応機序に基づいて数理モデルを構築し，モデルの出力が実験と定性的に一致することを確認した．これら(1), (2)に関連する研究成果をとりまとめ，国内外で学会発表を行い，国際誌に原著論文を出版した