Publicly Offered Research
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
本研究はモデル遊泳微生物として単細胞微生物の繊毛虫を用い、自然環境を模したジオラマ環境中での個体分布や運動変化のメカニズムを解明することで、個体の習性や生物対流などのマクロな性質に与える役割を明らかにする。これまでの我々の研究によって、繊毛の自律的機械応答を利用した単細胞レベルでの壁面集積機構が明らかになっている。本研究では、繊毛応答に加えて集団運動レベルで発生する流体力学由来・集団運動由来の非線形現象の実験測定を行うことで、単細胞から生物対流スケールに至る運動ダイナミクスを解明する。この研究を通じて、テトラヒメナや類似の繊毛虫の「行動」や「本能」と見られる性質を構成論的に理解する。
本研究はモデル遊泳微生物として単細胞微生物の繊毛虫テトラヒメナを用い、自然環境を模したジオラマ環境中での個体分布や運動の特徴的な変化の計測を行った。計測結果の解析から繊毛虫の環境応答特性を明らかにすることで、遊泳微生物の習性や本能などと解釈される知的な性質のメカニズムを解明することを目標とした。これまでの研究で細胞密度の多寡にかかわらず、界面にテトラヒメナが集積されることを明らかにしていた。この実験条件を検討することによって、低密度から高密度まで系統的な測定が可能になった。更に、幅広い密度条件に適用可能な全細胞の追跡と、その解析手法を開発した。細胞認識では機械学習による細胞認識法を複数試し、光学系による細胞像の違いと学習モデルとの相性や適用条件を探索している。テトラヒメナの個々の細胞運動と集団での運動の両方を同時に取得し、集団内部での運動状態を明らかにした。このプロセスと得られた結果の一部を邦文誌の論文に報告した。高密度状態の集団について更に検討を重ね、集団内部での非自明な運動相関などを見出した。一方、ジオラマ環境の作成については、走流性など流れに対する応答を計測する実験系の開発と測定を行った。更に、界面形状についても検討し、生物対流の制御が部分的に可能になった。領域内の共同研究においては、細胞運動についてオオアメーバの形状と並進運動を顕微観察し、両者の間の統計則を検討した。その結果、楕円変形と三角形変形が運動方向を制御すると共に、楕円変形が閾値を超えると一方向性の運動へと分岐する事を発見した。さらにこの分岐が非生物の自己駆動液滴と共通の数理的構造を持っている事を明らかにした。以上の結果はいずれも論文準備中、および査読中である。
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results, Peer Reviewed: 5 results, Open Access: 3 results) Presentation (21 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results, Invited: 4 results) Book (1 results) Remarks (1 results)
Journal of the Society of Powder Technology, Japan
Volume: 61 Issue: 4 Pages: 204-212
10.4164/sptj.61.204
Biochemical and Biophysical Research Communications
Volume: 706 Pages: 149761-149761
10.1016/j.bbrc.2024.149761
Science Advances
Volume: 9 Issue: 18 Pages: 1-9
10.1126/sciadv.abq5561
Physical Review E
Volume: 106 Issue: 3
10.1103/physreve.106.034610
Biophysics and Physicobiology
Volume: 19 Issue: 0 Pages: n/a
10.2142/biophysico.bppb-v19.0026
https://chem.scphys.kyoto-u.ac.jp/ichikawa/
