2019 Fiscal Year Annual Research Report
高密度細菌集団の秩序創発・状態制御を司る熱統計力学原理の探求
| Project Area | Information physics of living matters |
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| Project/Area Number |
19H05800
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
竹内 一将 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (50622304)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | アクティブマター / 非平衡統計力学 / 微小流体デバイス / バクテリア / ガラス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度はまず、広域マイクロ灌流系での菌状態の計測と送液切替性能の評価を行った。菌状態の計測については、従来型デバイスと広域マイクロ灌流系のそれぞれで菌の長時間培養を行い、広域マイクロ灌流系では一様な培養環境が長時間維持できることを実証した。送液切替については、蛍光を用いて、観察領域内の培地交換が数分で完了することを示した。以上により、本デバイスが本研究目的に適った性能を有することが示された。
次に、培養環境変化に伴い菌の集団的性質がどのように変化するかを検討した。結果、菌の体長ゆらぎの振幅減少に伴って、菌集団の配向秩序や、その他液晶的秩序に変化が生じる可能性を発見したため、環境変化時の菌の形態変化を調査する研究を追加した。具体的には、成長条件から飢餓条件に切り替えた際に、細胞サイズ分布がどのように変化するかを計測したところ、細胞サイズの減少に伴い時間変化する細胞サイズ分布が、スケール不変性を満たすことを発見した。我々はまた、既存の細胞周期モデルを非定常環境に拡張し、それが実験結果を再現することを数値的に示した。さらに、非定常環境下における細胞サイズ分布を記述する理論式を提案し、スケール不変性が成立するための十分条件を提示した。
本計画研究の主対象である高密度菌集団の集団運動状態については、まず、培養条件によって、相分離様現象が起こる場合とガラス様現象が起こる場合があることを発見した。次に、高密度条件下での菌密度測定法を比較検討した。具体的には、スポット蛍光標識の導入、染色体の蛍光標識、位相差画像の解析法の工夫、高輝度の蛍光たんぱく質と蛍光信号のデコンボリューションなどを試み、後者２手法により目的の菌密度計測が達成できた。これにより、様々な菌密度において、菌集団の相分離様現象や混み合い現象が起こるか否かを実験的に整理できた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度計画の主要部分であった、広域マイクロ灌流系での菌状態の計測と送液切替性能の評価、および高密度菌集団の菌密度計測をすべて行うことができた。また、飢餓過程における細胞サイズ分布のスケール不変性を発見したことをはじめ、当初計画にない成果も得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
飢餓過程における細胞サイズ分布のスケール不変性については、実験に用いた培地の組み合わせがまだ少ないため、より多くの培地の組み合わせに対して実験を行い、スケール不変性の頑健性を検証する。
高密度菌集団に関しては、密度測定が行えたので、来年度は予定通り、運動状態の解析に取り組む。また、培養条件によって相分離様現象が起こる場合とガラス様現象が起こる場合があることが判明したため、培養条件と凝固過程の関係をより系統的に調査して、凝固過程の種別を決める因子を探索する。さらに、相分離様現象とガラス様現象のそれぞれにおける集団運動の統計的特徴の解析も試みる。ガラス様現象については、通常のガラス系について様々な統計的特徴が知られているため、それと比較することで、通常のガラス系と細菌集団のガラス的状態の共通点・相違点を調査する。
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