Distribution-based design of stochastic response in biomolecular systems

生物分子系统中基于分布的随机响应设计

• 批准号: 21H01355
• 负责人: 堀 豊
• 金额: $ 10.9万
• 依托单位: Keio University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01355/
• 关键词: 生体分子システム; 確率システム; マイクロ流路; 数理最適化

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

This year, we focused on the transition state of the response distribution of biological molecules, the analysis and design of dynamic characteristics of biological molecules, and the development of analytical methods for the construction of steady-state response characteristics last year. (1) In the design of dynamic response distribution, the analysis of steady-state response characteristics, the development of mathematical optimization problems, and the application of numerical examples to the design of steady-state response characteristics. The number of optimization problems in multiple applications has been identified, and the number of initial optimization problems (inverse velocity determination) has been reduced. The number of initial optimization problems has been reduced. The number of initial optimization problems has been reduced. The number of optimization problems has been reduced. The number of optimization problems has been reduced. The basic results have been obtained. (2) In the past year, the chemical input force (concentration change of sine wave and sawtooth wave) of cultured cells was measured. The stimulation input force device was prepared accordingly. In the current year, the chemical input force of cultured cells was measured. Specifically, the system for measuring the dynamic characteristics of the cell concentration in the buffer containing ATP was established in the first year. In addition, the reverse mechanism in the cell is based on the mathematical structure, and the output of the cell is consistent with the qualitative structure. (1), (2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),(10),(11),(12),(13),(14),(15),(16),(17),(18),(19),(10),(11),(12)

项目成果

Analysis of Signal Distortion in Molecular Communication Channels

分子通信通道中的信号失真分析

• 发表时间: 2023
• 期刊: Proceedings of the 22nd IFAC World Congress
• 作者: Shoichiro Kitada;Taishi Kotsuka;Yutaka Hori
• 通讯作者: Yutaka Hori

L-2L Ladder Microfluidics for Dynamic Generation Of Chemical Concentrations

用于动态生成化学浓度的 L-2L 梯形微流体

• 发表时间: 2022
• 作者: Suguru Shiraishi;Tomohito Chatani;Hiroki Miyazako;Hiroaki Onoe;Yutaka Hori
• 通讯作者: Yutaka Hori

信号の歪みを抑制する分子通信路の設計法

抑制信号失真的分子通讯通道设计方法

• 发表时间: 2023
• 作者: 北田祥一郎;小塚太資;堀豊
• 通讯作者: 堀豊

Interval analysis of worst-case stationary moments for stochastic chemical reactions with uncertain parameters

参数不确定的随机化学反应最坏情况平稳矩的区间分析

• DOI: 10.1016/j.automatica.2022.110647
• 发表时间: 2022
• 期刊: Automatica
• 影响因子: 6.4
• 作者: Tsuzuki Satori;Yanagisawa Daichi;Nishinari Katsuhiro;Yuta Sakurai and Yutaka Hori
• 通讯作者: Yuta Sakurai and Yutaka Hori

Model-based analysis and rapid prototyping of genetic circuits with decoy transcription factor binding sites

具有诱饵转录因子结合位点的遗传电路的基于模型的分析和快速原型制作

• 发表时间: 2022
• 期刊: Proceedings of SICE Annual Conference
• 作者: Ayumi Nakajima;Tatsuya Yamamoto;Taishi Kotsuka;Yutaka Hori
• 通讯作者: Yutaka Hori