負の相関に起因する異常拡散現象とその周辺

• Project Area: Synergy of Fluctuation and Structure:Foundation of Universal Laws in Nonequilibrium Systems
• Project/Area Number: 26103525
• 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: Kyushu University
• Principal Investigator: 坂上 貴洋 九州大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (30512959)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2015: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2014: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
• Keywords: 異常拡散 / 高分子鎖 / 非平衡ダイナミクス / 記憶効果 / 生体高分子 / DNA、染色体

Outline of Annual Research Achievements

構成要素が鎖状に連なった高分子鎖は、負の相関効果による異常動力学現象の宝庫である。今年度は、主に外力により駆動される非平衡ダイナミクスを研究した。まず、最も基本的と考えられる伸長過程について基礎的事項を定式化し、トルクによる回転ダイナミクス、ナノチャネル中での圧縮過程のダイナミクスへと研究を展開した。
(1)　高分子鎖の伸張ダイナミクス：　高分子系に見られる多くの異常動力学において本質的に重要となる鎖に沿っての張力伝播様式について、平衡状態下と、外力誘起の非平衡状態の両方に於いて、ミクロな高分子模型（ラウス模型）から出発し、標識モノマーの異常拡散挙動を記述する一般化ランジュバン方程式の導出を系統的に議論した。
(2) 棒の周りを回転する高分子鎖の定常ダイナミクス：　長くて柔らかい高分子鎖の一端を棒状の障害物に固定し、棒を回転させると高分子は棒の周りに巻きついていく。「ねじれブロブ」という概念を導入し、張力による伸張過程との類似、差異を明確にしつつ、定常状態での構成関係式（トルク-角運動量関係）を導出した。
(3) ナノチャネル中に拘束されたDNAの圧縮ダイナミクス：　ナノチャンネル中に拘束した高分子を方端から圧縮すると、圧縮応力の伝播を伴う特徴的な非平衡ダイナミクスが見られる。この過程を記述する非線形移流拡散方程式を導出し、その解析を行い実験結果との良い一致を得た。また、負の相関による異常動力学という視点から、張力による伸長過程との対比を行った。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] McGill University(Canada)
• [Int'l Joint Research] K U Leuven(ベルギー)
• [Journal Article] CarlonRotational Dynamics in Polymers: Torsional Blobs and Thinning (2016)
  • Author(s): M. Laleman, M. Baiesi, B.P. Belotserkovskii, T. Sakaue, J-C Walter and E. Carlon
  • Journal Title: Macromolecules Volume: 49 Issue: 1 Pages: 405-414
  • DOI: 10.1021/acs.macromol.5b01481
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Non-Equilibrium Dynamics of Nanochannel Confined DNA (2016)
  • Author(s): A. Khorshid, S. Amin, Z. Zhang, T. Sakaue, W. Reisner
  • Journal Title: Macromolecules Volume: 49 Issue: 5 Pages: 1933-1940
  • DOI: 10.1021/acs.macromol.5b02240
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Driven anomalous diffusion: An example from polymer stretching (2015)
  • Author(s): T. Saito and T. Sakaue
  • Journal Title: Phys. Rev. E Volume: 92 Issue: 1
  • DOI: 10.1103/physreve.92.012601
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Dynamics and electrorheology of sheared immiscible fluid mixtures (2014)
  • Author(s): T. Sakaue, K. Shitara and T. Ohta
  • Journal Title: Phys. Rev. Volume: E89 Issue: 5
  • DOI: 10.1103/physreve.89.052301
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Dynamical Scalig of Polymerized Membranes (2014)
  • Author(s): K. Mizuochi, H. Nakanishi and T. Sakaue
  • Journal Title: Eurphys. Lett. Volume: 107 Issue: 3 Pages: 38003-38003
  • DOI: 10.1209/0295-5075/107/38003
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Multiple patterns of polymer gels in microspheres due to the interplay among phase separation, wetting, and gelation (2014)
  • Author(s): M. Yanagisawa, S. Nigorikawa, T. Sakaue, K. Fujiwara and M. Tokita
  • Journal Title: Proc.Natl. Acad. Sci. USA Volume: 111 Issue: 45 Pages: 15894-15899
  • DOI: 10.1073/pnas.1416592111
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Dynamic Compression of Single Nanochannel Confined DNA via a Nanodozer Assay (2014)
  • Author(s): A. Khorshid, P. Zimny, D. T.-La Roche, G. Massarelli, T. Sakaue, and W. Reisner
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 113 Issue: 26
  • DOI: 10.1103/physrevlett.113.268104
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 環状鎖ブレンドの相溶性相図 (2016)
  • Author(s): 坂上貴洋
  • Organizer: 日本物理学会第71回年次大会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] Dynamics of translocation in complex medium (2016)
  • Author(s): T. Sakaue
  • Organizer: Translocation of polymer through nanopores: Interplay between theory, simulations and experiments
  • Place of Presentation: Espoo, Finland
  • Year and Date: 2016-02-08
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] On anomalous diffusion of chromosomal loci in living cells (2015)
  • Author(s): T. Sakaue
  • Organizer: 4-th International Symposium of the Mathematics on Chromatin Live Dynamics
  • Place of Presentation: Hiroshima, Japan
  • Year and Date: 2015-12-08
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Anomalous driven motion of biopolymers: stretching, compression and rotational dynamics (2015)
  • Author(s): T. Sakaue
  • Organizer: KIAS Workshop on Anomalous Dynamics in Biological Systems
  • Place of Presentation: Seoul, Korea
  • Year and Date: 2015-09-04
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Driven Anomalous Diffusion: a Model for Chromosome Segregation? (2015)
  • Author(s): T. Sakaue and T. Saito
  • Organizer: International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2015
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2015-08-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] On miscibility of ring polymer blend (2015)
  • Author(s): T. Sakaue
  • Organizer: RING POLYMERS: ADVANCES AND PERSPECTIVES
  • Place of Presentation: Crete, Greece
  • Year and Date: 2015-07-14
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ナノピストン中でのDNAの動的圧縮と非平衡ダイナミクス (2015)
  • Author(s): 坂上貴洋
  • Organizer: 新学術領域「ゆらぎと構造の協奏」第二回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2015-05-01
• [Presentation] ナノピストン中でのDNAのダイナミクス (2015)
  • Author(s): 坂上貴洋
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 東京都
  • Year and Date: 2015-03-23
• [Presentation] Driving an Anomalous Walker (2015)
  • Author(s): 坂上貴洋、齋藤拓也
  • Organizer: アクティブ・マター研究の過去・現在・未来
  • Place of Presentation: 宮城県仙台市
  • Year and Date: 2015-03-14 – 2015-03-15
• [Presentation] 電気粘性効果とアクティブマター (2015)
  • Author(s): 坂上貴洋、設楽恭平
  • Organizer: アクティブ・マター研究の過去・現在・未来
  • Place of Presentation: 宮城県仙台市
  • Year and Date: 2015-03-14
• [Presentation] Dynamics of DNA in Nano-fluidic Piston (2014)
  • Author(s): T. Sakaue
  • Organizer: Nanofluidics in physics and biology
  • Place of Presentation: Lausanne, Switzerland
  • Year and Date: 2014-10-30
  • Invited
• [Presentation] Nano-pore based characterization of randomly branched polymer (2014)
  • Author(s): 坂上貴洋
  • Organizer: 日本物理学会第70回秋季大会
  • Place of Presentation: 愛知県春日井市
  • Year and Date: 2014-09-08
• [Presentation] Nonequilibrium Dynamics of Polymer Translocation -- a personal review (2014)
  • Author(s): T. Sakaue
  • Organizer: Surmounting the Insurmountable – Pathways of Biological Physics: An international Conference on Biological Physics
  • Place of Presentation: Pohang, Korea
  • Year and Date: 2014-08-30
  • Invited
• [Book] 自然世界の高分子 ---物理現象から生命の起源まで--- (2016)
  • Author(s): 田中 基彦、 鴇田 昌之、柳澤 美穂、坂上 貴洋、藤原 慶
  • Total Pages: 372
  • Publisher: 吉岡書店
• [Remarks] ナノ世界のブルドーザー「ナノドーザー」システムを構築! DNA分子の動態制御を初めて可能に
  • URL: https://www.kyushu-u.ac.jp/f/1055/2014_12_08.pdf
• [Remarks] ナノ世界のブルドーザー「ナノドーザー」システムを構築！ DNA分子の動態制御を初めて可能に
  • URL: http://www.kyushu-u.ac.jp/pressrelease/2014/2014_12_08.pdf