近年の分子生物学の発展により、生命を構成する部品、遺伝子、タンパク質などについて多くの情報が得られるようになってきました。しかし、生命とは「生き生きとして振る舞うシステム」であり、部品の情報に加えてそのシステムがどのようにして働いているのか知る必要があります。我々の研究室では、構成要素が集合し、互いに作用した結果生じる「生き生きとしたシステム」のダイナミクス（メカニズム）について研究しています。 その手法として、システム生物学、複雑系の科学、非線形科学の視点に基づき、生物に係わる要素集団的挙動について、実験と理論の両側面から理解することを目指しています。
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生物系では、神経細胞集団の同期発火、心筋細胞で構成される心臓の拍動、蛍の集団発光現象、などあらゆる階層において、振動子（振動を発生する要素）集団の協調/同期現象が観測されています。このような現象は結合振動子系という数理モデル系を用いて説明されてきました。この研究では、要素集団系に対する精緻な実験を行うために、マイクロ加工技術を用いて、細胞のサイズと同等なマイクロスケールの新しい実験系「ウエット・シミュレータ」を構築しています。このシステムはコンピュータ・シミュレーションで行うようにパラメータを自在に振れる生物/生化学実験系であり、そこから得られる結果には、既存または新奇の数理モデルによる結果と直接比較できる利点があります。
実験の対象となる系は、以下に述べるような生物系から非生物系までを取り扱い、併せて数理モデルに基づいた解析を行います。
(東京大学生産技術研究所との共同研究)
1-1. 巨大アメーバ様細胞（真正粘菌変形体）を用いた実験
真正粘菌は原生生物の一つですが、環境に応じて形態を変え植物的または動物的に振る舞う奇妙な生物です。しかし、研究室での取り扱いが容易なことから分子生物学からバイオコンピュータに至るまでのあらゆる分野で用いられてきた有用なモデル生物系です。その細胞の厚みや細胞内化学物質において非線形振動現象が観察されます。この研究では、真性粘菌細胞の形をマイクロ加工技術で制御します。
(詳しくは「マイクロ技術で生きた結合振動子系をつくる」のページへ)
1-2. 化学反応系（BZ反応系）を用いた実験
BZ反応系は、生化学反応系によく見られる振動現象や興奮現象などに非常に近い現象を示す非生物系として有名で、生化学反応の良いモデル系であるとされてきました。また、その反応機構の詳細は古くから解析されており、精緻な数理モデルも多く提案されてきています。しかしこれまでは、大きいスケールのリアクター（反応容器）での実験が主体であり、細胞サイズで実験を行うことで、生物特有の現象が再現できると期待されます。
1-2. 酵素反応などの生化学反応系を用いた実験
酵素反応系もある条件下では、振動現象を示すことが知られています。人工的に再構築した酵素反応系は、非生物系である化学反応系と生物系である細胞系の中間に位置し、それらの間に共通した現象があるか探り、結果を比較することで、系や階層性を超えた一般性のある数理モデルの構築に有用なデータを得られることが期待されます。
脊椎動物の体節形成の過程で、尾部から頭部に向かった細胞集団で、それに係わる遺伝子群の発現のダイナミックな時空間パターン形成が見られます。この研究では、細胞の非線形的性質と細胞間相互作用を考慮することにより、数理モデルの構築と解析を試みます。
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真性粘菌巨大アメーバを始めとしたはいまわる細胞の運動の数理モデル化を行います。真性粘菌細胞の全体の行動は、振動現象を発生する要素間の相互作用による集団の協調的行動によるものとしてモデル化されます。単純なユニット構成による系は、ロバストであるとともに、柔軟であり、構成が単純であるにも係わらず複雑な行動ができる可能性を秘めており、そのアルゴリズムのロボットへの応用も検討していきます。
（名古屋大学計算理工専攻との共同研究）
血流など流れのある場での細胞のパターン形成を模倣する系を、マイクロ流体デバイス中に再現します。人工微粒子やリポソームという細胞膜を模倣したものを人工細胞として用いることにより、コントロールされた物理量（粒子のヤング率や壁面との吸着性など）の下、データを取得できる系の構築を目指しています。
（東京大学生産技術研究所、東京大学 システム量子工学専攻との共同研究）