総括班 情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理

本領域は、生命現象を分子レベルから定量的に計測する技術の発展と、非平衡系の統計力学・情報熱力学理論の深化を背景とした、両者の融合領域です。生命現象の理解という具体的な課題に対して「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物理学」を構築することで、生物学と物理学の間の新たな学際領域を開拓します。この目的を達成するために、本総括班は、領域内での生物系の実験研究と物理系の理論研究の学際融合研究を推進します。

岡田 康志 代表 東京大学 大学院理学系研究科 教授
青木 一洋 分担 自然科学研究機構 生命創成探究センター 教授
石島 秋彦 分担 大阪大学 大学院生命機能研究科 教授
佐々 真一 分担 京都大学 大学院理学研究科 教授
澤井 哲 分担 東京大学 大学院総合文化研究科 教授
小林 徹也 分担 東京大学 生産技術研究所 准教授
沙川 貴大 分担 東京大学 大学院工学系研究科 准教授
竹内 一将 分担 東京大学 大学院理学系研究科 准教授
福岡 創 分担 大阪大学 大学院生命機能研究科 准教授
猪股 秀彦 分担 理化学研究所 生命機能科学研究センター チームリーダー
伊藤 創祐 分担 東京大学 大学院理学系研究科 講師
川口 喬吾 分担 理化学研究所 開拓研究本部 理研白眉研究チームリーダー
池崎 圭吾 分担 東京大学 大学院理学系研究科 助教
榎 佐和子 分担 東京大学 大学院理学系研究科 助教
神原 丈敏 分担 理化学研究所 生命機能科学研究センター 上級研究員
中島 昭彦 分担 東京大学 大学院総合文化研究科 助教
松岡 里実 分担 大阪大学 大学院生命機能研究科 助教

A01班 ゆらぎと応答の基本限界から探索する生体分子の設計原理

生体分子モーターのin vitroでの1分子計測を契機に、少数分子の非平衡系に対する統計力学・情報熱力学理論が近年大きく発展しました。しかし、より生理的な条件あるいは細胞内での生体分子の挙動の理解には至っていません。本研究では、in vitroおよび細胞内での1分子計測と理論研究のフィードバックにより、細胞内のような本質的に非平衡な混雑環境を前提とした統計力学・情報熱力学の理論構築を行い、実際の生体分子機械に対してこれを適用することで、生体分子機械の設計原理の解明を行います。

岡田 康志 代表 東京大学 大学院理学系研究科 教授
佐々 真一 分担 京都大学 大学院理学研究科 教授
川口 喬吾 分担 理化学研究所 開拓研究本部 理研白眉研究チームリーダー
神原 丈敏 分担 理化学研究所 生命機能科学研究センター 上級研究員
榎 佐和子 分担 東京大学 大学院理学系研究科 助教
池崎 圭吾 分担 東京大学 大学院理学系研究科 助教

B01班 情報熱力学による生体情報処理の理論研究

本研究では、情報と熱力学を融合させた理論、すなわち情報熱力学に基づいて、生体情報処理の理論的研究を行います。とくに、生体情報処理は本当に熱力学効率が高いのか、といった基本的な問いに答えることを目指します。また、情報理論の分野で注目を集めている「リソース理論」の考え方、さらにはトポロジーの概念を応用することで、狭義の情報熱力学にとどまらない多角的な理論研究を行います。さらに、情報幾何の手法と熱力学を組み合わせることにより、熱力学的な不確定性関係の新しい理論を発展させ、生体情報処理への応用を行います。

沙川 貴大 代表 東京大学 大学院工学系研究科 准教授
伊藤 創祐 分担 東京大学 大学院理学系研究科 講師

B02班 細菌個体レベルの情報処理の情報熱力学的な理解

大腸菌走化性システムは、外界の誘因・忌避物質が細胞極に存在する受容体に結合し、その情報は細胞内を通して各モーターに伝わり、モーターの回転方向が転換されます。我々は、走化性刺激受容において、協同性、適応性、自発性の3つの特徴が、受容体のメチル化レベルの変動という共通の分子機構で実現されている、という従来説とは全く異なる新しいモデルを提唱しています。そこで、1細胞レベルでの走化性動態を、活性を保ったまま明らかにします。分子レベルの反応ネットワークと細胞レベルの応答をつなぐ格好のモデル系であり、領域内の理論グループとの共同研究体制を構築することにより実験と理論との有機的な融合を目指します。

石島 秋彦 代表 大阪大学 大学院生命機能研究科 教授
福岡 創 分担 大阪大学 大学院生命機能研究科 准教授

B03班 細胞内情報伝達の情報熱力学的な理解

本研究は、真核生物の細胞内情報伝達系の情報処理特性を明らかにすることを目的とします。リガンド-受容体-細胞内情報伝達系における情報の流れの特徴化と定量化、多様なリガンドの細胞内情報伝達系による符号化原理、細胞内情報伝達系の不均一性と細胞機能の情報の物理学、といった課題を通じて、分子から細胞までの階層における細胞内情報伝達系の情報の物理学の展開を目指します。情報処理のコストと限界を明らかにし、細胞内情報伝達系の設計原理に迫ります。

青木 一洋 代表 自然科学研究機構 生命創成探究センター 教授
松岡 里実 分担 大阪大学 大学院生命機能研究科 助教

C01班 適応過程の情報物理学的理解

細胞をはじめとする生物は、環境からの入力を受け取り、それに応じて自分の状態や運動など多様な出力を変化させることで環境に働きかけ、様々な生体機能を実現します。このような機能が物理的に見てどれくらい効率的にできているのか、できているとすればその原理は何なのか、を明らかにするために、情報熱力学を生命現象へとつなげた理論を新たに構築します。特に細胞内の反応の機能、それを組み合わせた1細胞の機能、そして細胞が集団になった集団としての機能の階層性に着目します。熱統計力学・情報理論・学習理論・進化理論に共通する熱力学的変分構造を媒介にすることで、これらの階層間の関係つなぎうる理論を探求します。

小林 徹也 代表 東京大学 生産技術研究所 准教授

C02班 高密度細菌集団の秩序創発・状態制御を司る熱統計力学原理の探求

高密度の細菌集団に対して、均一かつ制御された環境下での計測を実現する独自デバイス「広域マイクロ灌流系」を拡張、活用して、細菌集団の協同的現象を記述する熱統計力学原理の理解と探求を目指します。特に対象とするのは高密度細菌集団の凝集現象であり、実験と理論の比較を通して、自己駆動粒子等の系に一般化された熱力学アプローチの有効性を検証します。また、以上の知見と、光トラップやフィードバック制御などの実験技術を組み合わせて、細菌の凝集状態の実験的制御を目指すとともに、細菌集団を記述しうる熱統計力学量の計測や概念の検証を行います。

竹内 一将 代表 東京大学 大学院理学系研究科 准教授

C03班 多細胞システムにおける細胞運動と運命決定の情報処理特性の解析

シグナルの時間方向の微分や積算、空間方向の差分や勾配などが、巧みに細胞によって読み取られることで、感度の向上のみならず、状態のデジタル性、多価性、探索性、頑強性などが実現されている実態を明らかにします。さらに細胞間相互作用によって形成する場の読み取りが循環することによって生じる、集団的な状態遷移を特徴づけることによって、単独細胞レベルと集団レベルの情報処理特性の関係を明らかにし、頑強で自律的な形態形成過程の情報物理学的基盤を明らかにします。こうした知見と開発手法を背景に、多細胞体制の秩序形成に共通する設計と動作の原理、最適性を特徴づけ、情報物理学や学習・最適理論の新たな展開へとつなげます。

澤井 哲 代表 東京大学 大学院総合文化研究科 教授
猪股 秀彦 分担 理化学研究所 生命機能科学研究センター チームリーダー
中島 昭彦 分担 東京大学 大学院総合文化研究科 助教