生体ソフトマターの非平衡力学計測

• Project Area: Creation of non-equilibrium soft matter physics: Structure and dynamics of mesoscopic systems
• Project/Area Number: 21015024
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 水野 大介 九州大学, 大学院・理学研究院, 准教授 (30452741)
• Project Period (FY): 2009 – 2010
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2010)
• Budget Amount: ¥4,100,000 (Direct Cost: ¥4,100,000); Fiscal Year 2010: ¥3,300,000 (Direct Cost: ¥3,300,000); Fiscal Year 2009: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
• Keywords: マイクロレオロジー / マイクロバイオロジー / 細胞力学 / メカノセンシング / 非平衡生命科学 / 細胞骨格 / 1分子計測 / ナノテクノロジー

Research Abstract

生きた細胞や生体組織内部では、主として細胞骨格とモーターたんぱく質の働きにより生成された非平衡力により、様々な小器官や構成物質が互いに力学的な相互作用を及ぼしあっている。このような強い非平衡環境下におかれた生体物質(ソフトマター)は、周囲の媒質や自分自身の非平衡度に依存してその性質を大きく変化させる。本研究の初期の目標はその詳細なメカニズムを解明するために、試料の非平衡度や力学的性質を制御しかつ計測できる新しい非平衡力学物性計測システムを開発することであった。
実際には、用途別に複数の当該測定システムを開発した。具体的には、計測試料に外場を印加することで方位に関する対称性が破れた試料の3次元方向の力学特性を計測するシステムと、マクロレオメータにより精密な外場を加えつつ生きている試料の非平衡度を計測することが可能なシステムを開発した。さらに開発したシステムを用いて細胞骨格ゲル(ビメンチンおよびアクチン・ミオシン非平衡ゲル)の力学特性を評価した。
一例として、生体試料(中間径フィラメント細胞骨格ゲル)にずり応力を印加させつつ試験的にマイクロレオロジー計測を行った。このときコロイド粒子の熱運動は、それぞれの運動方向の力学特性を主に反映すると期待される。事実今回の実験では、加えたずり場(xz-方向)に対してvimentinゲルが異方的に硬化することを示唆する結果が得られた(右図)。今回の結果によれば、細胞内部の微視的な力学環境は分子組成や構造の分布のみならず、分子モーターが各所で発生させている応力の向きと分布にも強く依存して変化していることが予想される点で画期的である。

Research Products

• [Journal Article] Non-Gaussian athermal fluctuations in active gels (2011)
  • Author(s): T.Toyota, D.A.Head, C.F.Schmidt, D.Mizuno
  • Journal Title: Soft Matter Volume: 7 Pages: 3234-3239
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 細胞の力学知覚の物理メカニズム (2011)
  • Author(s): 水野大介、中益朗子
  • Journal Title: 生物物理 Volume: 51 Pages: 14-17
  • NAID: 10027414721
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 細胞骨格の非平衡揺らぎと力学特性 (2011)
  • Author(s): 水野大介
  • Journal Title: 日本物理学会誌 Volume: 66 Pages: 276-280
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nonlocal fluctuation correlations in active gels (2010)
  • Author(s): David Head, Daisuke Mizuno
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 81 Pages: 41910-41910
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Viscoelastic response of a model endothelial glycocalyx (2009)
  • Author(s): N.Nienhuis, D.Mizuno, J.A.E.Spaan, C.F.Schmidt.
  • Journal Title: Physical Biology 6 Pages: 25014-25014
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-resolution probing of cellular force transmission (2009)
  • Author(s): D.Mizuno, R.G.Bacabac, C.Tardin, D.Head, C.F.Schmidt
  • Journal Title: Physical Review Letters 102 Pages: 168102-168102
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Non-local fluctuation correlations in active gels
  • Author(s): D.Head, D.Mizuno
  • Journal Title: Physical Review E (Accepted In press)
  • Peer Reviewed
• [Presentation] レーザーインターフェロメトリーによる細胞(骨格)の非平衡力学特性計測 (2011)
  • Author(s): 水野大介
  • Organizer: (社)レーザー学会第31回年次大会
  • Place of Presentation: 電気通信大学
  • Year and Date: 2011-01-10
• [Presentation] 細胞骨格の非平衡力学特性と細胞の力学知覚の物理メカニズム (2010)
  • Author(s): 水野大介
  • Organizer: 第3回定量生物学会
  • Place of Presentation: 東京大学生産技術研究所
  • Year and Date: 2010-11-27
• [Presentation] 細胞骨格ネットワークの非平衡力学特性 (2010)
  • Author(s): 水野大介
  • Organizer: 第59回高分子討論会特定テーマバイオの視点からのゲル科学の新展開
  • Place of Presentation: 北海道大学高等教育機能開発総合センター
  • Year and Date: 2010-09-15
• [Presentation] Exploring the physical calibration mechanism for cellucar mechano-sensing (2010)
  • Author(s): D.Mizuno, R.G.Bacabac, C.Tardin, D.Head, C.F.Schmidt
  • Organizer: SPIE : Optical Trapping and Optical Micromanipulation
  • Place of Presentation: Sandiego
  • Year and Date: 2010-08-04
• [Book] Cell Mechanochemistry. Biological Systems and Factors Inducing Mechanical Stress, Such as Light, Pressure and Gravity, Chapter 2
  • Author(s): Rommel G.Bacabac, Daisuke Mizuno, Gijsje H.Koenderink
  • Total Pages: 32
  • Publisher: Transworld Research Network(In press)
• [Remarks]
  • URL: http://sleipnir.sci.kyushu-u.ac.jp/mizuno/index.html