変形可能なアクティブマターにおける集団的秩序形成の数理的研究
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21K03496
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
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| Research Institution | Hiroshima University (2022-2023)
Center for Novel Science Initatives, National Institutes of Natural Sciences (2021) |
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Principal Investigator |
斉藤 稔 広島大学, 統合生命科学研究科(理), 准教授 (20726236)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2023: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | アクティブマター / ソフトマター / フェーズフィールド / 自己組織化 / ジャミング / トポロジカル欠陥 / 集団運動 / 細胞遊走 |
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| Outline of Research at the Start |
アクティブマター研究では、鳥や魚の運動を単純化し「群れ」がどのように自己組織化するのかを明らかにしてきた。しかし細胞集団の運動では、個々の細胞の形が変形しうるという要因が重要となる。特に、細胞集団による組織の形成・恒常性維持などの現象の普遍的法則を理解するためには、細胞の運動を極めて単純化しつつも変形を許す「ソフト」なアクティブマターの研究が不可欠となる。本研究では細胞輪郭のフーリエ級数展開を基礎として、千～万オーダーの細胞数を同時に計算可能な多細胞数理モデルを開発し、ソフトアクティブマター分野の基礎となるモデルを構築する。これを用いて、変形可能であることで初めて顕れる集団的秩序現象を探る。
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| Outline of Annual Research Achievements |
変形可能なアクティブマターの数理的基礎を構築し、細胞の集団運動等を理解することが本研究の目的である。生体組織では細胞が高密度でパッキングしており、力学的相互作用を通じ絶えず変形することで、安定した発生や組織の恒常性が担われている。個々の細胞の変形が細胞集団や生体組織にどのような影響を与えるか、を読み解き、力学的相互作用から細胞集団の挙動を理解し、ソフトなアクティブマターの研究の基礎となる知見を蓄積することを目指す。
本年度までに、変形可能細胞モデルの構築、提案モデルを用いた高密度細胞集団の挙動の解析を行うことができた。特に、排除体積効果で相互作用する高密度の自己駆動細胞集団では、細胞の柔らかさ依存で液液相転移が起こることを発見した。この液液相転移では、細胞が大きく変形しながら流動化する相と、細胞が丸い形状を保ちなが ら流動化する相の間で転移が起こる。またKTHNY理論で現れるhexatic相の存在も明らかにした。
また変形可能細胞モデルと既存モデルであるphase-fieldモデルとの関係を調べた。その結果、提案したモデルとほぼ同様のモデルをphase-field方程式から導出可能であることも確認した。これはphase-fieldモデルの縮約方程式と考えることができる。この縮約方程式はphase-fieldモデルに比べ圧倒的に計算量が小さいため、多様な分野へ応用可能な重要な理論的ツールになりうる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の計画の1万細胞シミュレーションは達成済みであり、研究結果も論文として出版することができた。さらに既存モデルとの対応も理解でき、さまざまな発展が可能なことが明らかになりつつあるため、予想以上の進展であると評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
提案モデルはさまざまな発展を考えることができる。例えば、接着、細胞分裂の導入や３次元系への発展などが挙げられる。またGPU計算を用いることでさらに多くの細胞数を扱える可能性がある。これらの可能性を検討し、研究を推進する。
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Report
(3 results)
Research Products
(13 results)
