細胞成長の効率に関する理論的研究

微生物は富栄養条件下ではその個体数を指数関数的に増大させることが知られており、この成長相はExponential Phaseと呼ばれている。一方で栄養条件が悪化した場合、微生物はStationary Phaseという異なる成長相に入る。Stationary Phaseにおいて微生物はほとんど成長もせず、細胞分裂の頻度も非常に低く抑えられているがそれと同時に死亡速度も非常に低い。Exponential Phaseにおける細胞成長の理論はこれまでに数多くの研究が行われてきたが、多くの研究者が興味を注いでいるにも関わらず、Stationary Phaseの微生物に関する現象論はほぼ皆無であった。Stationary Phaseにおける微生物は非常にエネルギー効率が高いと考えられており、申請研究との親和性も高いテーマであったため、初年度に引き続きStationary Phaseの理論研究を行い、その成果はPhysical Review X誌に掲載された。また、生物の環境変動に対する新たな適応メカニズムを理論的に提案した。生物は環境変化に応じて内部の化学反応を制御し、高い成長速度を維持できるように適応する機構を持っている。従来、このような適応機構に関してはシグナル伝達系などの研究が主流であった。しかし対応するシグナル伝達系などを持たないような環境変動に直面した場合でも生物は適応的な状態へと遷移できることが実験的に報告されている。このような現象に関してはアトラクター選択理論という先行研究が存在するが、本研究ではDNAのエピジェネティック制御に着目し、適応現象の一般的な理論構築を試みた。本研究によって、ある環境変動に対して、あらかじめシグナル伝達系が用意されていなくても、また高成長状態がアトラクターでなくても、高い成長率が実現できることが明らかになった。

微生物は富栄養条件下ではその個体数を指数関数的に増大させることが知られており、この成長相はExponential Phaseと呼ばれている。一方で栄養条件が悪化した場合、微生物はStationary Phaseという異なる成長相に入る。Stationary Phaseにおいて微生物はほとんど成長もせず、細胞分裂の頻度も非常に低く抑えられているがそれと同時に死亡速度も非常に低い。Exponential Phaseにおける細胞成長の理論はこれまでに数多くの研究が行われてきたが、多くの研究者が興味を注いでいるにも関わらず、Stationary Phaseの微生物に関する現象論はほぼ皆無であった。Stationary Phaseにおける微生物は非常にエネルギー効率が高いと考えられており、申請研究との親和性も高いテーマであったため、初年度に引き続きStationary Phaseの理論研究を行い、その成果はPhysical Review X誌に掲載された。また、生物の環境変動に対する新たな適応メカニズムを理論的に提案した。生物は環境変化に応じて内部の化学反応を制御し、高い成長速度を維持できるように適応する機構を持っている。従来、このような適応機構に関してはシグナル伝達系などの研究が主流であった。しかし対応するシグナル伝達系などを持たないような環境変動に直面した場合でも生物は適応的な状態へと遷移できることが実験的に報告されている。このような現象に関してはアトラクター選択理論という先行研究が存在するが、本研究ではDNAのエピジェネティック制御に着目し、適応現象の一般的な理論構築を試みた。本研究によって、ある環境変動に対して、あらかじめシグナル伝達系が用意されていなくても、また高成長状態がアトラクターでなくても、高い成長率が実現できることが明らかになった。