研究概要

領域代表者:岡田 康志
東京大学大学院理学系研究科

本領域の目的

分子・細胞レベルから細胞集団レベルまでの様々な階層の生命現象において「情報」は欠くことのできないキーワードです。技術の進歩により、定量的な実験が可能となりましたが、生命現象における情報を統一的・定量的に扱う枠組みは存在しません。一方、物理学では、近年、情報を力、エネルギーと同列に物理的対象として議論する新しい理論の枠組みの構築が進んでいます。

そこで、本研究領域では、両者の融合を目指します。すなわち、情報物理学という理論的枠組みを利用して生命現象の理解を深め、生命システムの設計原理の解明を目指します。さらに、生命現象を具体例として情報熱機関の設計原理を議論することで情報物理学を深化発展させます。このような生物学と物理学の間のフィードバックを通じて、〈生命の情報物理学〉という生物学と物理学の間の新たな学際領域を開拓します。

本領域の内容

本研究領域は、生命現象を題材として、情報を力、エネルギーなどと同列に物理的対象として議論する新しい物理学を構築することが目標です。その理論的支柱である情報の物理学の深化発展と、実験対象たる生命現象における情報の計測を車の両輪として推進します。従って、基本的な戦略は、「情報の物理学」理論研究と「生命現象における情報」の実験・計測の融合です。

そのため、対象・課題に応じて三つのグループに分け、各グループに理論構築を行う物理系の研究者と実験・計測を行う生物系/生物物理系の研究者をともに配しています。

研究項目Aでは、生体分子の設計原理が主なテーマです。分子モーターなどの実在するタンパク質分子機械に対して、情報熱力学的な観点からの設計原理を明らかにします。さらに、その発展として、非平衡液液相分離の理論を整備し、分子間相互作用による秩序創発の原理を探求します。

研究項目Bでは、細胞内シグナル伝達を扱います。情報幾何学の情報熱力学への応用や化学反応ネットワークであるシグナル伝達経路における情報伝達の熱力学限界の議論を行い、情報物理学理論の深化発展を目指します。さらに、定量的な実験結果の解析により、例えば「MAPキナーゼ経路は、なぜ3段階のキナーゼ反応カスケードなのか」といった素朴な問いにアプローチします。

研究項目Cでは、細胞集団の秩序創発をテーマとします。細胞の走化性応答や集団運動、発生における位置情報の決定や分化、細胞集団の成長と増殖による進化適応などが対象です。ゆらぎを伴う物理化学的な入力情報を処理し、再現性良くかつ適応的に全体の運動や形態などの秩序を形成する機構を、「個と集団」や「個と場」の連関構造を情報物理学的に捉えることで探求します。