小林 徹也/KOBAYASHI Tetsuya J.

小林 徹也 准教授

【研究分野】
バイオ・複雑系分野
【研究領域】
システムバイオロジー、定量生物学、生命数理情報工学
【研究室URL】
http://research.crmind.net

研究内容

柔軟かつ適応的に機能する生体システムの原理を探る

生命システムは非常に安定で柔軟かつ適応的に機能するシステムです。しかし近年、定量的実験測定技術の発展により、生命システムの基本構成素子である細胞や細胞内の化学反応の振る舞いは確率的で、人が作ったシステムとは異なり、同じような状況でも違った振る舞いをする信頼性の低い確率的な素子あることがわかってきました。生命システムはどのように信頼性の低い素子を組み合わせて、全体として安定な機能を作り上げることができているのでしょうか?そしてこのような設計は、生命システムの柔軟さや適応性、そしてロバスト性に関係しているのでしょうか?もし、生命が採用している設計原理が解明できれば、それを基に新たな人工システムを創り上げることもできるかもしれません。

定量的なデータから、生体システムの原理に迫る

ゆらぎながらも機能する生体システムの動的な振る舞いは、近年バイオイメージングを基礎技術とした定量的な測定方法や次世代シーケンサーなどの網羅的解析方法の発展によって、具体的に調べることが可能になってきています。例えば1個の受精卵から我々の体が出来る発生過程は、途中過程に曖昧さなどがありつつも、最終的な形態がきっちり構成される典型的な例です。このような発生過程の詳細を逐一定量的に解析することにより、そのメカニズムを解明することができると期待されます。我々は実験研究者と共同で定量的な画像解析手法や統計的データ解析手法を開発し、ゆらぐ生命現象を定量的にとらえる技術基盤を作りあげています。

数理を用いて、生体システムの動作原理の本質をとらえる

しかしデータを単に解析するだけでは、現象の本質を捉えることはできないばかりでなく、工学システムへの応用も表面的なものになってしまいます。なぜ高いゆらぎ存在下でも機能できるのか?その原理は何なのか?を数理として厳密に表現することによって、様々な分野に応用できる普遍的な知となります。我々は実際の生命現象を解析するのと並行して、ゆらぐシステムを記述・解析・設計するための基礎となる数理理論を、自然が創り上げた生命現象に学びつつ、また同時に人の創った工学システムに照らし合わせつつ、探求しています。

主なプロジェクト

【哺乳類初期発生過程の再構築】
初期発生は、1つの細胞から始まり複雑な多細胞構造体が自発的に形成される過程です。この過程をイメージングデータからコンピューター内に再構成して、自発的に複雑な構造をゆらぎながら創り上げるメカニズムを探求します。またこのような研究はiPS細胞などを用いた再生医学や生殖補助医療にも関わります。

【免疫多様性の定量生物学】
免疫系は脳と並んで、最も複雑な生体システムの一つです。未知の外的に対して、免疫系は内在的な多様性を生成・制御することにより対応します。次世代シーケンサーによる配列情報や定量的測定データ、そして数理モデルを用いて、免疫多様性の制御メカニズムに挑戦します。

【確率的生体システムの数理】
素過程でゆらぎながら柔軟かつ適応的にその機能を維持する生体システムの原理を扱うための数理的基盤を構築します。分化の決定・記憶の固定・環境時刻の同定・細胞走性方向の決定・免疫応答反応・進化など発生から神経、免疫にわたる様々な現象に通底する数理構造を、力学系の理論と統計・情報、そして物理の理論を融合させて創り上げます。またその応用として、恒常性の強い免疫や発生・概日リズムなどを外部から的確に制御する手法の開発や、生体に学ぶゆらぎを活用した工学システムの設計を行います。

学生へのメッセージ

生命現象は、我々の身近にありかつ最も多くの謎を有する研究対象です。学生には自らの興味に従って対象を選択し、そこで活用できる様々な工学的手法を構築してほしいと思っています。本研究室では学生の主体性を重視しつつも、生物に関する予備知識が無い学生が自由な発想に基づいて研究をできるようサポートします。また自分と違うバックグラウンドをもつ研究者と協調して研究を進める経験は、研究者になる人にとってはもちろんですが、社会に出てからも非常に役に立つと思われます。

図1:3D画像からの胚発生再構成(上)、脳内の概日振動空間パターン(下)
図2:免疫細胞の多様性(上)と1細胞の多様性情報の可視化とその解析(下)
図3:ゆらぐ環境下での細胞進化のゆらぎ関係(上)とそのシミュレーション(下)