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多細胞生物の複雑で秩序ある構造や機能は,細胞と細胞外マトリックス (Extracellular matrix: ECM) との相互作用によって形成されます.これは,多細胞生物の出現,複雑化,発生・再生,恒常性などにECMが不可欠であることからも良く分かります.しかし,これまでの生命科学研究は細胞の解析に集中しており,ECMは「単なる静的な足場」あるいは「不活性な詰め物」として軽視されてきました.ところが近年,ECMの動態および物理化学的な特性の計測・操作技術が進歩したことにより,ECMは従来考えられていたよりも遥かに動的 (ダイナミック) な構造物で,さらに多様な生化学的 (構成分子,接着シグナル,液性因子など),物理的 (接着,粘弾性,ジオメトリなど) な情報「マルチモーダルな時空間情報」を細胞に与えることで,多細胞システムの自己組織化や器官の形づくりといった複雑で動的な生命現象を支えていることが少しずつ明らかになってきました.これはゲノムに明示的に書き込むことが困難な「場」の時空間情報「細胞外情報」であり,ECMがこの情報を細胞に与えることで,生命の階層の構築と接続を可能にし,秩序ある多細胞現象を統御していると本領域では考えています.

そこで本領域では,これまで別の分野として発展してきた実験生物学,高分子材料工学,数理・データ科学の研究者を集結し,学際的かつ包括的なアプローチにより,これまでベールに包まれていたECMの「ダイナミクス」と「マルチモーダル情報」の実体 (実態) を定量的に理解し,操作します.そして,多細胞システムという「細胞とECMとが一体となって機能する不思議なシステム」におけるECMの動的な作動原理を解明することで,ECMを十分考慮せず細胞中心で構築されてきた生物学の体系を大きく変革します.

The structures and functions of multicellular organisms are complex yet organized. They emerge from the interplay between cells and the extracellular matrix (ECM). The significance of the ECM is well illustrated by the fact that the ECM is crucial for multicellularity as well as for the development, maintenance, regeneration, and evolution of multicellular organisms. However, biological research has mainly focused on studying cells and often overlooked the ECM, regarding it as just a static scaffold or inert packing material.

Recent advancements in techniques for measuring and manipulating the ECM have revealed that it is far more dynamic than previously thought and provides cells with a wide range of biochemical and biophysical information. Adhesion signals, soluble factors, viscoelasticity, geometry and other factors collectively compose what we term “multimodal spatiotemporal information” within the ECM. This invaluable extracellular information underpins complex biological phenomena like the self-organization of multicellular systems and the intricate development of organs. However, the molecular, cellular, biochemical, and biomechanical mechanisms responsible for encoding and decoding multimodal spatiotemporal information within the ECM remain largely unknown. This lack of knowledge is partly due to the difficulties encountered in decoupling the various ECM parameters from one another and examining their impacts on cell behaviors and fates with conventional research approaches.

Therefore, the objective of this research consortium is to bring together the expertise of experimental biologists, polymer engineers, and mathematical/data scientists to develop methods for quantitatively measuring and manipulating the dynamics and functions of multimodal information encoded within the ECM and to gain a comprehensive understanding of those extracellular information. By unraveling the dynamic operating principles of the ECM, this consortium endeavors to transform our understanding of the role and significance of the ECM.

​領域代表​: 藤原裕展 (理化学研究所 生命機能科学研究センター) 

Leader: Hironobu Fujiwara, Ph.D. (RIKEN BDR)
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