慶應義塾大学学術情報リポジトリ(KOARA)KeiO Associated Repository of Academic resources

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2017000001-20170225  
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2017000001-20170225.pdf
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Release Date
 
Title
Title 微小化学反応系における確率ゆらぎのフィードバック制御理論と実験基盤の構築  
Kana ビショウ カガク ハンノウケイ ニ オケル カクリツ ユラギ ノ フィードバック セイギョ リロン ト ジッケン キバン ノ コウチク  
Romanization Bishō kagaku hannōkei ni okeru kakuritsu yuragi no fīdobakku seigyo riron to jikken kiban no kōchiku  
Other Title
Title Feedback control theory and experimental platform for designing stochastic chemical reactions  
Kana  
Romanization  
Creator
Name 堀, 豊  
Kana ホリ, ユタカ  
Romanization Hori, Yutaka  
Affiliation 慶應義塾大学理工学部助教(有期)  
Affiliation (Translated)  
Role Research team head  
Link  
Edition
 
Place
 
Publisher
Name 慶應義塾大学  
Kana ケイオウ ギジュク ダイガク  
Romanization Keiō gijuku daigaku  
Date
Issued (from:yyyy) 2018  
Issued (to:yyyy)  
Created (yyyy-mm-dd)  
Updated (yyyy-mm-dd)  
Captured (yyyy-mm-dd)  
Physical description
1 pdf  
Source Title
Name 学事振興資金研究成果実績報告書  
Name (Translated)  
Volume  
Issue  
Year 2017  
Month  
Start page  
End page  
ISSN
 
ISBN
 
DOI
URI
JaLCDOI
NII Article ID
 
Ichushi ID
 
Other ID
 
Doctoral dissertation
Dissertation Number  
Date of granted  
Degree name  
Degree grantor  
Abstract
本研究の目的は, 微生物細胞のような微小体積の空間で生じる確率的な生化学反応系のダイナミクスを, 制御理論や遺伝子組み換えの技術を用いて体系的に設計・構築するためのモデルベースの設計理論と実験基盤を提案することである。
本年度は, ①確率モデルに基づいて望みの反応を設計するための数理最適化アルゴリズムと②遺伝子回路のダイナミクスを人工的にコントロールされた環境下で観察するための実験系の2つを並行して構築した。
①では, 確率モデルに基づいて, 反応に関与する分子の個体数の平均値, 分散, CVなどの統計量を望みの値に収束させるための遺伝子回路の設計ツールを構築した。具体的には, 平成28年度に開発した「確率モーメントの厳密な計算法」を発展させることで, 分子個体数の確率モーメントが所与の設計仕様を満たすために必要な設計パラメタ空間(反応率など)を, 数理最適化に基づいて効率的に探索するためのアルゴリズムを開発した。確率的にゆらぐ反応系の設計は, 従来, 近似シミュレーションに基づくものがほとんどであったが, 提案法は, 仕様を満たすパラメタを厳密に同定することができるため, よりロバストな設計が実現可能になると期待できる。そこで, 提案法の有用性を実証するために, 実験で実現可能な遺伝子回路の設計問題を考え, 確率ゆらぎを効率的に低減するための負帰還反応系のパラメタを明らかにした。これらの成果をまとめ, 国際会議論文とジャーナル論文を出版することができ, 米国の研究グループとの共同研究へと発展させることができた。
②では, 指定された濃度のDNAや低分子化合物を動的に入力可能なナノリットルスケールの反応容器を持つマイクロ流路デバイス(平成28年度開発)の改良を行い, 入力量の精密な制御を行うことが可能となり, フルオレセイン溶液を用いた実証実験を行った。さらに, 遺伝子回路のDNAサンプルを用いて同様の実証実験を行うために, 必要なプラスミドDNAを用意し, 無細胞タンパク質合成系を用いて予定通りの遺伝子発現が得られることを確認できた。
The kinetics of chemical reactions in micro-scale compartments such as biological cells are known to be highly stochastic due to the low copy nature of molecules in the compartment. The objective of this research is to develop both theoretical and experimental platforms to analyze and design the dynamics of stochastic biomolecular reactions by combining feedback control theory and genetic engineering.
In FY 2017, we developed (1) a mathematical optimization algorithm for model-based design of stochastic biomolecular reactions, and (2) an experimental platform to measure the dynamics of genetic circuits in a controlled microfluidic environment.
Specifically, we proposed a computational design tool that systematically scans the parameter space of reactions and finds the set of parameters with which the copy number of molecules converges to pre-specified values of the mean, the variance and the coefficient of variation, which is an extension of a moment computation method that we developed in FY 2016. The proposed approach allows for the characterization of the parameter space without approximation and/or a priori knowledge of the underlying stochastic distributions of molecular copy numbers. We demonstrated the proposed algorithm by designing a negative feedback biomolecular circuit and revealed the parameter space with which the noise attenuation is achieved. These results are published in an international conference proceedings and an international journal.
We have also developed a nano-liter scale microreactor that enables dynamic input modulation of chemicals and demonstrated with fluorescein solution. This technology will potentially enable frequency response characterization of biomolecular reactions. For this goal, we prepared plasmid DNAs and confirmed in vitro gene expression using a cell-free protein expression system.
 
Table of contents

 
Keyword
 
NDC
 
Note

 
Language
日本語  

英語  
Type of resource
text  
Genre
Research Paper  
Text version
publisher  
131.113.194.249
Access conditions

 
Last modified date
May 07, 2020 13:28:09  
Creation date
Feb 21, 2019 13:21:02  
Registerd by
mediacenter
 
History
Feb 21, 2019    インデックス を変更
May 7, 2020    Creator,Source Title Name,Abstract 内容 を変更
 
Index
/ Public / Internal Research Fund / Keio Gijuku Academic Development Funds Report / Academic year 2017
 
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