精密マイクロフロー解析による微小生物遊泳機序の研究

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13450096
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 上村 慎治 東京大学, 大学院・総合文化研究科, 助教授 (90177585)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 須田 斎 東海大学, 開発工学部, 助教授 (70216472) ; 小林 俊一 信州大学, 繊維学部, 助教授 (50225512) ; 高野 泰斉 滋賀県立大学, 工学部, 教授 (00089111) ; 篠原 健一 北陸先端科学技術大学院大学, 材料科学研究科, 助教授 (10292244)
• Keywords: マイクロマシン / マイクロフロー解析 / べん毛 / 繊毛 / シミュレーション / 運動モデル / 細胞運動解析 / 精子

Research Abstract

本研究では、レイノルズ数の小さな環境下での生物遊泳の機序を解明し、あたらしいデザインのマシンを創出するの上で、鍵となる基礎流体力学的な知見を得ることを目標にしている。上村は、非常に薄い水層(数10nm厚のため2次元空間と見なせる)で精子の運動を観察する新手法を開発し、光学顕微鏡下で実際に運動する精子の高速度ビデオ撮影に成功した。流体力学的な特性の解析を進めている。須田は、モーター分子ミオシンの加水分解に伴う構造変化と力発生との関係を調べた。高い精度の表面間力測定装置を用い、ミオシン頭部の約1nmの構造変化に伴い約0.2pNの力を発生することを明らかにした。篠原は、溶液中での機能性高分子特性を調べる研究を行っている。ここでは、π共役ポリマーのAFMイメージングを行った。分子に沿った約20nmの周期構造が確認でき、ポリマー鎖が右巻きらせん構造を持ち、これが単純なモノマー繰り返し構造だけでは予想できないことを示した。また、電流像観測から、基盤となるHOPG表面のπ電子系と相互作用して、新たな電子構造が形成することも示した。小林は、運動モデルの製作を行って来た。微小管に相当する柔軟体にダイニンに相当する多数の電磁石を取り付け,吸着・反発力を利用して屈曲動作を発生させ、昨年度のモデルよりも高い周波数で動作し、推進力も増加した。また、同じ機構を応用し、繊毛運動を再現する可変剛性フィンも開発した。高野は、流体と運動体との相互作用の解明を目指し、螺旋形状のべん毛を回転させ遊泳する単毛性細菌のべん毛の微小変形の解析を行った。抵抗力、捩り、および曲げモーメントを考慮し、べん毛の3次元微小変形を予測する手法である。べん毛を完全な螺旋曲線と仮定すれば、べん毛に作用する捩りおよび曲げモーメントを解析的に表現できることを示した。べん毛の根元フック構造を含むような不完全な螺旋構造のべん毛に対しては、数値解析により微小変形を求めるための手法を示した。

Research Products

• [Publications] Kobayashi, S., Mashima, T., Morikawa, H.: "Thrust force characteristics of propulsion mechanism in fluid using variable-bending-stiffness fin modeled on ciliary movement."JSME International Journal, Series C. 46・4. 1340-1345 (2003)
• [Publications] Kobayashi, S., Mashima, T., Ozeki, T., Morikawa, H.: "Thrust force characteristics of enlarged propulsion mechanisms modeled on eukaryotic flagellar motion and ciliary motion in fluid."Proc.of 2nd Int.Symposium on Aqua Bio-mechanisms. S1-07 (2003)
• [Publications] 小関智真, 小林俊一, 森川裕久: "真核生物鞭毛の屈曲を規範とした水中推進機構"日本機械学会2003年度年次大会講演論文集. 79-80 (2003)
• [Publications] Takano, Y., Goto, T.: "Numerical analysis of small deformation of flexible helical flagellum of swimming bacteria."JSME Int.J.Series C. 46. 1234-1240 (2003)
• [Publications] Takano, Y., Yoshida, K., Kudo, S., Nishitoba, M., Magariyama, Y.: "Analysis of small deformation of helical flagellum of swimming Vibrio alginolyticus."JSME Int.J.Series C. 46. 1241-1247 (2003)
• [Publications] Takano, Y., Yoshida, K.: "Analyses of Deformation of Helical Flagellum of Swimming Vibrio alginolyticus."Proc.of 2nd Int.Symposium on Aqua Bio-mechanisms. S1-03 (2003)
• [Publications] Koyama, S., Kamimura, S.: "Study on the development of sperm motility and social dominance of male mice."Physiol.Behav.. 80. 267-272 (2003)
• [Publications] Koyama, S., Kamimura, S.: "Effects of veronasal organ removal on the sperm motility in malemice."Zool.Soc.. 20. 1355-1358 (2003)
• [Publications] Inoda, T., Hirata, Y., Kamimura, S.: "Asymmetric mandibles of water-scavenger larvae improve feeding effectiveness on right-handed snails."American Naturalist. 162. 811-814 (2003)
• [Publications] Shinohara, K.Kodera, N., Ando, T.: "Direct observation of single polymer chains : High-speed AFM imaging of single molecules in a chiral helical p-conjugated polymer in a solution."Polymer Preprints. 52. 786 (2003)
• [Publications] Shinohara, K.Kodera, N., Ando, T.: "Direct observation of single molecules in a p-conjugated polymer : Imaging by a High-speed AFM."Polymer Preprints. 52. 3025-3026 (2003)
• [Publications] 篠原健一: "ポリマー1分子の直視:発光高分子1本鎖の構造と機能のイメージング"オプトニューズ. 67-71 (2003)
• [Publications] 篠原健一: "ポリマー1分子の直視:π共役高分子主鎖1本の分子構造と光機能のイメージング"高分子加工. 52. 106-111 (2003)
• [Publications] Sakaibara, H., Kunioka, Y., Yamada, T., Kamimura, S.: "Diameter oscillation of axonemes in sea-urchin sperm flagella."Biophys.J.. 86. 346-352 (2004)
• [Publications] Suda, H., Sasaki, N.Sasaki, Y.C., Goto, K.: "Force generation by recombinant myosin heads trapped between two functionalized surfaces."Eur.Biophysic.J.. (In press). (2004)