2023 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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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西口 大貴 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (20850556)
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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 / トポロジカル欠陥 / 液晶配向秩序 / 微小流体デバイス / バクテリア / ガラス転移 / 時空カオス / 乱流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度も引き続き、高密度細菌集団のモデル実験系の研究、特に(i)高密度細菌集団の非平衡相の研究と(ii)高密度細菌集団の支配因子の探求を行い、細菌集団の情報物理学の基盤づくりを推進した。
(i)については、高密度細菌集団で見られるガラス相の研究とアクティブ乱流状態の研究を推進した。ガラス相については、前年度までに明らかとなった動的感受率の特徴的挙動が回転自由度については出現しないことを新たに見出し、本挙動が集団運動によるものである可能性が高まった。また、異なる細胞株の実験により、相分離状態を伴うガラス転移の出現を発見し、その場合のガラス転移の様相を特徴づけた。アクティブ乱流状態については、閉鎖領域に封入した場合の閉じ込め半径によって「層流的な定常渦」から「多数の渦がカオス的に振る舞う乱流」へと変化してゆく乱流化過程を、大規模実験と数値計算によって捉えることに成功した。特に、定常渦が振動を始める不安定化に注目し、弱非線形解析により、その力学系的特徴を解明することに成功した。また、非対称な幾何形状を用いた細菌懸濁液の流動制御も行った。さらに、バクテリア乱流状態の時空カオス的側面に着目し、そのカオス特徴量を機械学習によって特徴づけた。
(ii)については、非運動性の大腸菌集団におけるコロニーに生じるトポロジカル欠陥の３次元性に着目し、３次元配向場の解析を行った。その結果、本実験で見出していた欠陥と細胞の関係が、欠陥配向場の３次元性に起因することが判明し、分子性液晶の欠陥観察で見出していた配向構造との関係も明らかとなった。また、細菌集団の欠陥に起因するバイオフィルム細胞外基質発現の統計解析を実施した。
本年度はその他、磁性細菌の集団状態観察と制御、カニの集団逃避行動の調査、細胞組織を模した大変形粒子集合体の流動特性のモデル実験等を実施し、情報物理学の多面的推進に貢献した。
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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