Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

アクティブマター / 集団運動 / バクテリア乱流 / アクティブ乱流 / トポロジカル物性 / 非平衡物理学 / 非平衡統計力学 / 生物物理学 / バクテリア

トポロジカル現象が出るとの理論予測がなされている柱格子構造中でアクティブ乱流の観察を引き続きおこない、渦秩序の発生を確認した。柱格子の格子定数を変えることで、渦秩序構造が生じやすいパラメーターの探索を進めた。得られた最適な条件に基づき、格子サイズやエッジの形状などを変えることで、目的の条件が得られると期待できるため、その準備を進めている。
トポロジカル現象の観察のためには、バクテリア濃厚懸濁液の示すアクティブ乱流中におけるバクテリア数密度のゆらぎを検出する必要がある。そのために、数密度を各時刻・各場所において検出する方法の検討を進めた。具体的には、透過光強度による定量化手法や、蛍光たんぱく質を発現するバクテリア株をもちいた蛍光強度による定量化などを試し、密度分布を定量化できることを確認した。また、この際の蛍光観察に最適な光学系やサンプルの条件などの詳細な検討をおこない、コントラストの高い画像が得られるようになり、ゆらぎの直接検出に必要な準備が概ね整った。
並行して、柱表面でのアクティブ乱流の境界条件を詳細に理解するため、バクテリア１匹の柱近傍でのダイナミクスを詳細に調べる実験および流体数値計算をおこなった。ガラス板２枚の間に柱を作成し、２枚のギャップを変えることで空間の次元を３次元的なものから擬２次元へと変化させることで、バクテリアが柱表面に滞在する時間が急激に増えるという擬２次元の特異性を発見した。これは、バクテリアと固体境界のミクロな相互作用に基づくマクロな境界条件の次元依存性に関わるだけでなく、バクテリア同士の相互作用とそれにより現れるマクロな集団運動状態の空間次元依存性につながる理解へとつながった。この結果は論文としてまとめ、現在投稿中である。

アクティブマター / 集団運動 / 細胞集団 / バクテリア乱流 / アクティブ乱流 / トポロジカル欠陥 / 非平衡物理学 / 生物物理学 / 内皮細胞 / 非平衡統計力学 / バクテリア / 細胞運動

アクティブマター物理学の方法論をより広範な系に適用できるよう拡張するために、本研究では集団運動と他の自由度が結合した場合の挙動を調べた。具体的には、培養細胞集団が外場へ応答するときの様子およびバクテリア濃厚懸濁液のアクティブ乱流が境界条件下で秩序化する原理を、トポロジカル欠陥に着目して解析した。結果、集団運動における新たな境界条件を実験的に推定すること等に成功し、集団運動を理論的に予測する枠組みを構築することに成功した。

細胞のように自ら動き回る要素の集団を記述するアクティブマターという枠組みは、生命科学上も重要な多細胞生命現象の理解への応用が期待されている。本研究によりアクティブマターの概念で予測できる現象の範囲が拡張されたため、多細胞生物の発生や生理現象を理解するという究極の目標に一歩近づいた。また、微生物集団の運動の予測ができるようになったことで、それを利用した新奇な微小流体デバイスの開発やバイオリアクターの設計指針につながると期待できる。

非平衡物理学 / モデル生体膜 / 生物物理学 / ソフトマター / ベシクル / 粘弾性 / 生体高分子

細胞は、絶えず外界と膜を介した物質やエネルギーのやりとりを行いながら、生命活動を維持している。それゆえ、非平衡条件下での膜系の構造と物性を理解することは、生命を物理的に理解する上で必要だといえる。近年、細胞膜の基礎となる脂質2分子膜小胞(ベシクル)に、細胞膜の持つ構造的特徴や細胞内外の環境因子をボトムアップ的に付与し、それに応じた構造や形の変化を解析することが可能となってきている。実際に我々は、膜タンパク質モデルとして高分子結合型脂質を添加すると細胞の脂質ラフトのようなナノドメインが安定して形成されること(Yanagisawa et al., 2012 Softmatter)や、光応答性脂質を添加したベシクルに光照射すると膜組成に応じた崩壊が生じること(Diguet, et al, ら 2012 J.Am.Chem.Soc.)、蛋白質発現系をベシクルに封入すると遺伝子発現が膜によって加速されること(Kato et al, 2012 Sci.Rep.)などをこれまでに報告してきている。
こうした研究の流れを発展させて、本研究では細胞内外が異なる粘性流体で占められている点に注目し、それをベシクルで再現した上で、膜内外の粘性の違いが膜の物性や変形へ及ぼす影響を解析した。初めに、高粘性であるゼラチンとPEG (polyethylene glycol)を溶解した2成分高分子水溶液をベシクル内に封入し、内部構造形成に伴う膜変形を観察した。この系は、水溶液中では温度低下に伴ってマクロに2相分離するが(論文投稿中)、ベシクル内では膜との相互作用によって、膜変形と相分離がカップルした新規な非平衡パターンを示すことを見出した(第67回日本物理学会年次大会にて発表)。また細胞のように、膜直下を高分子ゲル、内部をゾルで覆われたパターンも見られている。以上の結果は、細胞がどのように内部構造と形を共に制御しているのか、という機構を理解する上で重要な結果であると言える。