Quest for statistical physics principles underlying order and state control of dense bacterial populations

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project Area: Information physics of living matters
• Project/Area Number: 19H05800
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Takeuchi Kazumasa 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (50622304)
• 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)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Keywords: バクテリア / アクティブマター / 微小流体デバイス / トポロジカル欠陥 / ガラス転移

Outline of Final Research Achievements

We carried out various projects to seek for governing factors and statistical physics principles underlying order and state control of dense bacterial populations. Specifically, by developing a microfluidic device to realize uniform culture of dense bacterial populations, we discovered a glass transition of growing bacterial populations and scale invariance of cell size fluctuations of starving bacteria. We also characterized a route to turbulence of bacterial collective motion and the role of topological defects in three-dimensional colony growth of bacteria. Combining other approaches related to cell populations, we contributed to multifaceted development of the information physics.

Free Research Field

非平衡統計物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

高密度細菌集団からなるバイオフィルムは、生物学、環境・生態系、医学をはじめとする諸分野の重要な研究対象であり、医療や食品産業、工業の観点からも、バイオフィルムの理解と制御は重要な課題である。高密度細菌集団を記述する物理原理の基礎的開拓を行った本研究は、将来的にこれら多方面に貢献する可能性があり、大きな学術的意義と社会的意義を有する。また、物理学の基礎研究においても、高密度細菌集団は非自明な非平衡物質状態が様々に出現するフロンティアであり、本研究成果によって学術的に大きく貢献することができた。