Multiscale modeling of the dynamics of active filaments

• Project Area: Synergy of Fluctuation and Structure:Foundation of Universal Laws in Nonequilibrium Systems
• Project/Area Number: 16H00792
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 内田 就也 東北大学, 理学研究科, 准教授 (10344649)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2017: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2016: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
• Keywords: アクティブマター / 非平衡現象 / 生物物理 / パターン形成 / 非平衡系 / 繊毛 / べん毛

Outline of Annual Research Achievements

・バクテリアの走化性による集団運動
走化性物質を分泌して他の個体を引き付ける性質(自己走化性)によるバクテリアの凝集について、排除体積による整列効果を取り入れたモデルを開発した。ラン・アンド・タンブル運動を行うバクテリアを、格子上をランダムウォークする粒子として表し、走化性物質の濃度の時間勾配に応じて粒子の方向転換の確率が変化するようなルールを導入することで、走化性による運動のモデルを作成した。またこの確率モデルのマスター方程式を粗視化することで古典的な現象論モデル(Keller-Segel 方程式)を再導出した。次に格子点の排他的占有ルールおよび隣接粒子とのネマティック相互作用を導入して、数値計算によってクラスター形成のダイナミクスを解析した。最大クラスターサイズは走化性パラメーターの関数として不連続な転移を示す。ネマティック相互作用の効果によって凝集は阻害、遅延される傾向を持ち、形成されたクラスターは伸長して直進運動する。またクラスター内部は極性秩序を持つ配向ドメインと位相欠陥からなることを示した。
・バクテリア乱流中におけるコロイド粒子の集団運動
ハルトムート・レーヴェン氏（デュッセルドルフ大学、ドイツ）との共同研究を進め、２次元モデルの数値計算によってコロイド粒子間に働く有効的流体力学相互作用を解析した。この相互作用は粒子間の距離に対して非単調な依存性を示し、距離０で強さが０になることを見い出した。また２個の粒子が同方向、逆方向のいずれに回転する場合でも引力となるが、近接時においては逆方向の回転が選択されることを示した。これにより３個以上の粒子からなるクラスターでは相互作用のフラストレーションが発生し、クラスター凝集を遅延させることが分かった。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] デュッセルドルフ大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] 国立中央大学(中華民国)
• [Int'l Joint Research] デュッセルドルフ大学(ドイツ)
• [Journal Article] Synchronization and Collective Dynamics of Flagella and Cilia as Hydrodynamically Coupled Oscillators (2017)
  • Author(s): Nariya Uchida, Ramin Golestanian, Rachel R. Bennett
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 86 Issue: 10 Pages: 101007-101007
  • DOI: 10.7566/jpsj.86.101007
  • NAID: 210000134523
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] How Do Nanorobots Swim in Slime? (2017)
  • Author(s): Nariya Uchida
  • Journal Title: JPSJ News and Comments Volume: 14 Pages: 05-05
  • DOI: 10.7566/jpsjnc.14.05
• [Journal Article] Direct observation of rotation and steps of the archaellum in the swimming halophilic archaeon Halobacterium salinarum (2016)
  • Author(s): Kinosita, Y. Uchida, N. Nakane, D. Nishizaka, T.
  • Journal Title: Nat Microbiol Volume: 1 Issue: 11 Pages: 16148-16148
  • DOI: 10.1038/nmicrobiol.2016.148
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Impurity-tuned non-equilibrium phase transition in a bacterial carpet (2016)
  • Author(s): Yi-Teng Hsiao, Kuan-Ting Wu, Nariya Uchida, Wei-Yen Woon
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 108 Issue: 18 Pages: 183701-183701
  • DOI: 10.1063/1.4948766
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Hydrodynamic effects in the collective motion of bacteria (2018)
  • Author(s): Nariya Uchida
  • Organizer: アクティブマター研究会2018
• [Presentation] 高度好塩菌ハロバクテリウムサリナラムのアーキアべん毛の回転 とステップの検出 (2017)
  • Author(s): 木下佳昭, 内田就也, 中根大介, 西坂崇之
  • Organizer: 第90回日本細菌学会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2017-03-19
• [Presentation] アーキア H. salinarum の歳差運動を伴う遊泳の流体力学モデル (2017)
  • Author(s): 内田就也, 木下佳昭, 中根大介, 西坂崇之
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] Boundary effects on the collective motion of swimming bacteria (2017)
  • Author(s): Nariya Uchida
  • Organizer: 新学術領域研究「ゆらぎと構造の協奏」第４回領域研究会
• [Presentation] アクティブ乱流が誘起するコロイド粒子の偏析 (2017)
  • Author(s): 内田就也, Hartmut Loewen
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] 整列を伴うラン・アンド・タンブル走化性の格子モデル (2017)
  • Author(s): 内田就也, 金吉漢
  • Organizer: 第27回日本数理生物学会年会
• [Presentation] Colloidal flocculation induced by bacterial turbulence (2017)
  • Author(s): Nariya Uchida, Hartmut Loewen
  • Organizer: 生物流体力学における基礎問題と応用問題
• [Presentation] Lattice-Based Model of Bacterial Chemotaxis with Alignment (2017)
  • Author(s): Gilhan Kim, Nariya Uchida
  • Organizer: International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Unitary steps of supramolecula motility machineries in gliding and swimming archaea (2016)
  • Author(s): Yoshiaki Kinosita, Daisuke Nakane, Nariya Uchida, Makoto Miyata, Takayuki Nishizaka
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2016-11-25
• [Presentation] Direct observation of rotation and steps of the archaellum in the swimming halophilic archaeon Halobacterium salinarum (2016)
  • Author(s): Yoshiaki Kinosita, Nariya Uchida, Daisuke Nakane, Takayuki Nishizaka
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2016-11-25
  • Invited
• [Presentation] 固液界面上でのバクテリアの集団運動 (2016)
  • Author(s): 内田就也
  • Organizer: 第 13 回「生物数学の理論とその応用」
  • Place of Presentation: 京都大学（京都府京都市）
  • Year and Date: 2016-11-14
• [Presentation] Some applications of Smoothed Profile Method for active flow in and out of cells (2016)
  • Author(s): Nariya Uchida
  • Organizer: International Workshop on Hydrodynamic Flows in/of Cells
  • Place of Presentation: 首都大学東京（東京都八王子市）
  • Year and Date: 2016-11-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Collective dynamics of flagella, cilia and active filaments near surfaces (2016)
  • Author(s): Nariya Uchida
  • Organizer: Current and Future Perspectives in Active Matter
  • Place of Presentation: 東京大学（東京都文京区）
  • Year and Date: 2016-10-28
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Hydrodynamic model of Halobacterium Salinarum as an example of helical swimmers (2016)
  • Author(s): 内田就也
  • Organizer: 生物流体現象におけ るミクロ運動とマクロ運動
  • Place of Presentation: 京都大学（京都府京都市）
  • Year and Date: 2016-10-24
• [Presentation] バクテリア懸濁液の界面近傍における集団運動 (2016)
  • Author(s): 内田就也
  • Organizer: 日本物理学会 2016 年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Collective Dynamics of Bacteria at Interfaces (2016)
  • Author(s): Nariya Uchida
  • Organizer: The 26th Annual Meeting of the Japanese Society for Mathematical Biology
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡県福岡市）
  • Year and Date: 2016-09-07
• [Presentation] Non ‐ equilibrium transition in self ‐ propelled particle array mediated through hydrodynamic interac- tions (2016)
  • Author(s): Wei Yen Woon, Yi‐Teng Hsiao, Kuan‐Ting Wu, Nariya Uchida
  • Organizer: The 13th Taiwan International Symposium on Statistical Physics and Complex Systems
  • Place of Presentation: 中央研究院（中華民国台北市）
  • Year and Date: 2016-09-06
  • Int'l Joint Research