2相分離計算法を用いた生命分子ネットワーク解析により生命の設計原理の解明

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生命は単純で均一な要素が関連するのではなく、多様性をもつヘテロな要素が選択的に相互作用するシステムである。人工物システムとは根本的に設計の方法が異なると思われるが、その設計原理をどのように理解するのかについての方法論がない。我々はこれまでに2相分離法の計算方法を開発し、大腸菌の熱ショック応答の解析を行うことにより、生命のサブシステム間の相互作用は制御の複雑性が増加するにともないロバストになることを示した。他のサブシステムからの干渉を抑制して、目的の仕事を行うことが可能であることを示唆した。本研究では遺伝子発現調節、代謝、細胞分裂などに対して数学モデルを構築して、システム工学の視点から解析を行うことによって、生命分子ネットワークの設計原理を解明する。生命システムを分子レベルで高速にシミュレートする方法として、(1)2相分離計算法を開発し、それを用いて、(2)大腸菌熱ショック応答の制御のロバスト性を解析した。(1)生命分子反応を結合相と反応相に分離して、前者を代数方程式、後者を微分方程式で記述することによって高速計算を可能にした。(2)複雑性は全体からサブシステムを分離することを難しくしているように見える。しかし、大腸菌熱ショック応答をモデル化することによって、制御の複雑性がサブシステム間のロバスト性を向上させることを明らかにした。便宜的にモジュール化された生命分子ネットワークシステムを数学モデル化して解析している例は多いが、それらを本当にモジュール化することができるのかについて追求するために、モジュール間の相互作用についての研究した例はほとんどない。本研究は、モジュールの組み合わせによって、大規模生命システムを構築する研究の端緒となると考えられる。