理学部情報科学科

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ナチェル研究室

所属教員

研究室紹介

20世紀の後半に、生物学は生命の個々の化学物質あるいはゲノム、プロテオームデータに関する豊富な知識を提供することで、分子レベルでの生物学的システムの理解を大きく深化させた。しかし、多くの種のゲノム配列の解読完了とゲノムスケールのハイスループット技術の出現により、21世紀の生物学は細胞生理学のシステムの理解に焦点を移しています。これは、生命の基本的な分子からシステム生物学のアプローチへのパラダイムシフトを表しています。
代謝経路、タンパク質の相互作用、遺伝子調節ネットワークは、細胞の発達により形成される複雑系システムの重要な例です。本研究室では、これらのネットワークの分析と数理モデル化について研究しています。生物進化や人間の病気、創薬ターゲットなどの対象と、それらを支配するネットワークの構造特徴との関係の理解の為に、生物情報ネットワーク解析とモデル化が活用できる可能性があります。

研究内容

システム生物学のモデルは、個々のコンポーネントが相互作用し、複雑な生物を形成するためにどのように機能するかを理解することを目指し、遺伝子やタンパク質、化学物質からネットワークやパスウェイへ、あるいは、細胞から臓器へ、さらには一個体から人口や生態系へ、多様な次元に及んでいます。これに従い、私のバイオインフォマティクスの研究の関心は、複雑な生物学的ネットワークの構造とダイナミクス、進化の研究、遺伝子調節モジュールのモデリング、病変組織の遺伝子発現プロファイルの解析など、多岐に渡ります。
 
  1. 複雑な細胞内ネットワークの構造: 細胞内ネットワークは高度に複雑なシステムであり、DNA、mRNA、タンパク質および化合物のような相互接続している何十、何千もの生体分子によって形成されている。理論モデリングと実験解析での迅速な進歩は、完全に異なる生物学と非生物学のネットワークがスケールフリー構造となることを示しました。 この発見は、偏在するスケールフリーパターンの起源および意味するところについての熱心な研究や議論を起こし、細胞内ネットワークの背後の普遍的な法則および組織化原理の存在を示唆します。
    World Wide Web および、遺伝的ネットワーク、代謝経路、インターネット、セキュリティシステム、社会経済システムを同時に考察することによって、ネットワーク科学は、最新のグーグルやフェイスブックで使われるようなアルゴリズムを設計したり、新しい腫瘍遺伝子や薬剤ターゲットを発見する手助けとなったり、ウィルスの拡散を阻止したり、株式市場の変動を予測したり、共通の理論的またアルゴリズム的なフレームワークを提示する、データ駆動型の方法論として創出しました。
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  3. 動的モデリングと確率過程:細胞は非常にダイナミックで制御されたシステムですが、構造的な解析自体はまだ充分ではありません。例えば、細胞は絶えず生活環境の変化に活動レベルを適応させる必要があります。さらに、生化学的反応と遺伝子発現調節機構の確率的性質に起因する本質的な変動があります。したがって、数学的モデルは、ネットワークの構築において、実際のシステムを再現するために動的な成分を含める必要があります。
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  5. 生命医科学情報ネットワークと統合データ解析:統合研究は、異なるタイプのノード(例えば、代謝物、酵素、タンパク質や遺伝子)を区別せずに行うことができるだけではなく、異なる時間の大規模なデータセットおよび、豊富な環境条件下での薬剤応答と疾患状態を用いることができる。この研究は治療のための潜在的な創薬ターゲットの発見を目的とする。
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  7. 複雑ネットワークの制御:複雑なシステムの動作を制御し、ある方向へ導くことを可能とするのは、その相互接続性に根源があり、全国的な省エネや最適な基地局配置から複数のターゲットに関係する治療に至るまで、多種多様な分野で大きな進歩をもたらします。例えば、遺伝子調節ネットワーク、あるいは、ヒトのタンパク質相互作用ネットワークの構造は全体のネットワークを制御するために投入する薬剤の最小数を決定するために必要な治療戦略にどのように影響するでしょうか?これらのネットワーク制御の問題に取り組むために、私たちは、コンピューター・シミュレーション、または、数学的解析、データ分析、離散アルゴリズムを用います。

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