細胞の自己複製能と制御法則の理解

了解细胞自我更新能力和控制规律

• 批准号: 21K21308
• 负责人: 上村 淳
• 金额: $ 2万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-08-30 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K21308/
• 关键词: 自己複製; 細胞分裂

本年度は、昨年度に投稿した複数の原著論文を出版し、またこれまで構築した理論をさらに発展させる研究を主に行った。昨年度まで、化学反応ネットワークのヘッセ幾何学構造を考えることで、質量作用の法則や理想気体などを仮定しない一般的な形で化学熱力学の構築を行った。その結果、まずは体積が一定である定積過程においてどのように平衡状態が決まるのかを定式化した。また、その理論的枠組みを体積が可変な定圧過程に応用することで、化学反応ネットワークが増殖あるいは減衰し続けるのか、平衡状態に至るのかを判別する外部環境の熱力学的条件を明らかにした。本年度は、そのような熱力学な拘束に加え、化学反応によって変化できる化学分子の分子数に代数的な拘束（化学量論的拘束）がある場合について数理的な解析と数値計算を行った。このような化学量論的拘束は細胞内の代謝反応ではしばしば見られるものである。その結果、同一の外部環境に置かれても、初期条件に依存して系がとりうる状態が制限されることに起因して、化学反応ネットワークが辿る運命（増殖・減衰・平衡化）が変化することを示した。この結果は、定圧過程における化学反応ネットワークの平衡状態がどのように決まるかを定式化し、また複数の拘束がある中でどのように細胞成長が実現するのかを理解する上でも重要な理論的知見を与えるものと考えている。以上の結果を現在原著論文としてまとめるため、投稿準備中である。

This year, a number of original papers were submitted for publication, and the theory was developed for research. In the past year, chemical reactions have been studied in terms of geometric structure, mass action, ideal body, general shape, chemical thermodynamics, etc. As a result, the volume of the product is constant, and the equilibrium state is determined. The thermodynamic conditions of the external environment for determining the equilibrium state of a chemical reaction are described. In this year, thermodynamic constraints, chemical reactions, algebraic constraints on the number of chemical molecules (constraints of chemical quantity theory), mathematical analysis and numerical calculations were carried out. The chemical quantity theory is bound to the metabolism of the cell. As a result, the same external environment, the initial conditions, the state, the limitation, the cause, the chemical reaction, the fate (growth, degradation, equilibrium), the transformation, etc. The result is that the equilibrium state of chemical reaction in the constant pressure process is determined, and the complex constraints are understood. The above results are available in the original paper and in preparation for submission.

项目成果

【記者発表】細胞の自己複製と成長に必要な物理条件はなにか？―成長する細胞系の熱力学理論の構築―

[新闻稿] 细胞自我更新和生长所需的物理条件是什么？

Kinetic derivation of the Hessian geometric structure in chemical reaction networks

• DOI: 10.1103/physrevresearch.4.033066
• 发表时间: 2022-07
• 期刊: Physical Review Research
• 影响因子: 4.2
• 作者: Tetsuya J. Kobayashi;Dimitri Loutchko;A. Kamimura;Yuki Sughiyama

Chemical thermodynamics for growing systems

• DOI: 10.1103/physrevresearch.4.033191
• 发表时间: 2022-01
• 期刊: Physical Review Research
• 影响因子: 4.2
• 作者: Yuki Sughiyama;A. Kamimura;Dimitri Loutchko;Tetsuya J. Kobayashi

Hessian geometry of nonequilibrium chemical reaction networks and entropy production decompositions

• DOI: 10.1103/physrevresearch.4.033208
• 发表时间: 2022-09
• 期刊: Physical Review Research
• 影响因子: 4.2
• 作者: Tetsuya J. Kobayashi;Dimitri Loutchko;A. Kamimura;Yuki Sughiyama

Representation and inference of cell growth and division by neural-network-aided point processes

通过神经网络辅助点过程表示和推断细胞生长和分裂

• 发表时间: 2021
• 作者: 上村 淳;小林徹也
• 通讯作者: 小林徹也