生物をコンピュータ上でシミュレーション！

● 研究テーマ

• ❖ 生化学システムの動力学モデルの構築
• ❖ 動力学モデル構築方法の開発

● 分野

生命・健康・医療情報学、システムゲノム科学、バイオインフォマティクス、コンピュータシミュレーション

● キーワード

システム生物学、代謝ネットワーク、ハイパフォーマンスコンピューティング、スーパーコンピュータ、生化学パラメータ推定

● 実施中の研究概要

生物は、DNAやタンパク質など多数の部品から構成されたシステムです。20世紀の生物学の主要な課題は、生物を構成する個々の部品の性質を明らかにすることでした。現在の課題は、それら部品がどのように相互作用して生物となるのか明らかにすることです。このような学問は「システム生物学」と呼ばれています。システム生物学では、ある生命現象が観察されるとき、その現象がどのような仕組みで生じるのか定量的に（つまり数式を使って）調べます。そのため、コンピュータシミュレー ションが重要な研究手段となります。

現在、私たちは、大腸菌の窒素代謝のダイナミックシミュレーションモデルの構築に取り組んでいます。大腸菌は、モデル生物として重要であるだけでなく、有用物質の発酵生産でも重要です。大腸菌は、環境のアンモニアを取り込んで、グルタミン酸とグルタミンを合成します。そして、そのグルタミン酸とグルタミンから細胞内のほとんどの窒素含有化合物が合成されます。従って、アンモニアの取り込み制御機構を理解することは、有用物質の効率的な生産につながります。私たちは、スーパーコンピュータを使って高速にシミュレーションモデルを構築する技術を開発し、これを使って、精度の良い大腸菌窒素代謝シミュレーションモデルを構築しています。

● 今後進めたい研究

現在は、大腸菌の窒素代謝という特定の生命現象を対象に研究を行っていますが、長期的な目標として、ゲノム情報からシミュレーションモデルを簡単に構築する方法を開発したいと考えています。

● 特徴ある実験機器、設備

● 過去の共同研究、受託研究、産業界への技術移転などの実績

・マンチェスター大学、アムステルダム自由大学のグループとの共同研究
・生命現象の動態をモデリングしたい方、共同研究しませんか？

● 過去の論文や著書などの業績

1. Nusrat Jahan, Kazuhiro Maeda, Yu Matsuoka, Yurie Sugimoto, Hiroyuki Kurata, Development of an accurate kinetic model for the central carbon metabolism of Escherichia coli, Microbial Cell Factories, 15(1), 112, 2016
2. Noorlin Mohd Ali, Ryo Tsuboi, Yuta Matsumoto, Daisuke Koishi, Kentaro Inoue, Kazuhiro Maeda, Hiroyuki Kurata, Web Application for Genetic Modification Flux with Database to Estimate Metabolic Fluxes of Genetic Mutants, Journal of Bioscience and Bioengineering, 122(1): 111-116, 2016
3. Kazuhiro Maeda and Hiroyuki Kurata, Analytical study of robustness of a negative feedback oscillator by multiparameter sensitivity, BMC Systems Biology, 8(Suppl 5): S1, 2014
4. Kentaro Inoue, Kazuhiro Maeda, Takaaki Miyabe, Yu Matsuoka, Hiroyuki Kurata, CADLIVE toolbox for MATLAB: automatic dynamic modeling of biochemical networks with comprehensive system analysis, Bioprocess and Biosystems Engineering, 37(9): 1925-1927, 2014
5. Hiroyuki Kurata, Kazuhiro Maeda, Yu Matsuoka, Dynamic modeling of metabolic and gene regulatory systems toward developing virtual microbes, Journal of Chemical Engineering of Japan, 47(1):1-9, 2014
6. Hiroyuki Kurata, Kazuhiro Maeda, Toshikazu Onaka, Takenori Takata, BioFNet: Biological functional network database for analysis and synthesis of biological systems, Briefings in Bioinformatics, 15(5): 699-709, 2014
7. Kazuhiro Maeda, Hiroshi Minamida, Keisuke Yoshida, and Hiroyuki Kurata, Flux module decomposition for parameter estimation in a multiple-feedback loop model of biochemical networks, Bioprocess and Biosystems Engineering, 36(3):333-344, 2013
8. Kentaro Inoue, Kazuhiro Maeda, Yuki Kato, Shinpei Tonami, Shogo Takagi, and Hiroyuki Kurata, CADLIVE optimizer: web-based parameter estimation for dynamic models, Source code for Biology and Medicine, 7(9), 2012
9. Kazuhiro Maeda and Hiroyuki Kurata, A Symmetric Dual Feedback System Provides a Robust and Entrainable Oscillator, PLoS ONE, 7(2):e30489, 2012
10. Koichi Masaki, Kazuhiro Maeda and Hiroyuki Kurata, Biological Design Principles of Complex Feedback Modules in the E. coli Ammonia Assimilation System, Artificial Life, 18(1):53-90, 2012
11. Kazuhiro Maeda and Hiroyuki Kurata, Quasi-multiparameter sensitivity measure for robustness analysis of complex biochemical networks, Journal of Theoretical Biology, 272(1):174-186, 2011
12. Kazuhiro Maeda, Yuya Fukano, Daichi Nitta, Shunsuke Yamamichi, and Hiroyuki Kurata, An integrative and practical evolutionary optimization for a complex, dynamic model of biological networks, Bioprocess and Biosystems Engineering, 34(4):433-446, 2011
13. Kazuhiro Maeda and Hiroyuki Kurata, Two-phase search (TPS) method: Nonbiased and high-speed parameter search for dynamic models of biochemical networks, IPSJ Transactions on Bioinformatics, 2:2-14, 2009　 IPSJ 論文船井若手奨励賞受賞論文
14. Emi Shiraishi, Kazuhiro Maeda, and Hiroyuki Kurata, A gradual update method for simulating the steady-state solution of stiff differential equations in metabolic circuits, Bioprocess and Biosystems Engineering, 32(2):283-288, 2008
15. Hiroyuki Kurata, Kentaro Inoue, Kazuhiro Maeda, Koichi Masaki, Yuki Shimokawa, Quanyu Zhao, Extended CADLIVE: a novel graphical notation for design of biochemical network maps and computational pathway analysis, Nucleic Acids Research, 35(20):p.e134, 2007

● 関連リンク先

❖ 研究室ホームページ

• http://kurata21.bio.kyutech.ac.jp/maeda/
• http://www.bio.kyutech.ac.jp/~kurata/index.html

❖ より詳しい研究者データ

https://hyokadb02.jimu.kyutech.ac.jp/html/100000926_ja.html