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2016 Fiscal Year Annual Research Report

還流系を用いた中立的生態系実験の実現とその統計力学的解析

Research Project

Project/Area Number 16H04033
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

竹内 一将  東京工業大学, 理学院, 准教授 (50622304)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 若本 祐一  東京大学, 大学院総合文化研究科, 准教授 (30517884)
Project Period (FY) 2016-04-01 – 2020-03-31
Keywords生物物理学 / 集団遺伝学 / 生態系 / 非平衡統計力学 / 微小流路
Outline of Annual Research Achievements

平成28年度は、空間的・時間的に均質な条件下での大腸菌集団の観察のための還流系の構築をはじめに行った。研究代表者(竹内)の研究室に微生物実験に必要となるオートクレーブやインキュベータ等の各種装置類を導入したのち、研究分担者(若本)および大学院生、技官と連携して、還流系に用いるガラス基板の設計と製作、その他微小流路の製作に必要な部品の準備等を行い、動作試験を完了した。また、実験に用いる菌株として、標準的な大腸菌株に蛍光タンパク質を発現させた菌株を用意した。以上の準備のもとで、大腸菌集団のタイムラプス観察を行い、基板形状、培地の流量、観察温度等を調整して、適切な実験条件を模索した。また、液体培地の代わりにモーティリティバッファを用いた場合の試験観察も行った。さらに、運動能や鞭毛の有無等の異なるいくつかの大腸菌株を用い、それが集団ダイナミクスの違いにどのように現れるかを観察した。
以上の調査の結果、大腸菌の増殖により密度が上昇するにつれて、混み合い効果が重要な影響を与えることが判明した。そこでその定量的調査を行うため、粒子画像流速測定法によって混み合い効果が形成される際の時空間ダイナミクスを測定した。また、流路内での大腸菌の統計的特徴、特に配向秩序や密度ゆらぎが、アスペクト比等の流路形状に依存するという理論の先行研究を受けて、その様相を実験的に測定するガラス基板を製作し、試験観察を行った。
また、二つの大腸菌集団の競合過程を模した単純なモデルを用いて、その時空間ダイナミクスのシミュレーションを行った。これにより、流路のアスペクト比が集団ダイナミクスに与える影響等について予見を得た。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度はじめの計画で取り組むこととしていたのは、研究代表者(竹内)の研究室に本研究課題の遂行に必要な各種装置類を揃え、微生物実験に取り組む準備を行うこと、ガラス基板等の試作、観察に用いる大腸菌株の用意等を行い、還流系の構築とそれによる大腸菌集団の試験観察を行うこと、各種実験条件に対する観測結果の依存性などを比較検討して、適切な実験条件の絞り込みを行うこと、大腸菌株の運動能や増殖能を変化させたときの集団ダイナミクスへの影響を調査すること等であった。これらは全て実行することができたので、本研究課題は計画通り、順調に進捗していると言える。

Strategy for Future Research Activity

平成28年度の研究で、還流系実験の各種試験等を行い、大腸菌集団の長時間観察を行う準備が整ったので、平成29年度以降はそれを実行し、観察された菌集団ダイナミクスを定量的に特徴づけることが目標となる。具体的には、流路のアスペクト比やドレイン流路の設置個所等を変えた観察基板を種々製作し、それが大腸菌の集団ダイナミクスに与える影響を系統的に評価する。また、離散要素法に基づく細胞モデルを使ったシミュレーションも行い、実験結果との比較や、適した基板形状のデザイン等も行う予定である。
また、平成28年度の研究で、菌の増殖によって菌密度が上昇するにつれて、混み合い効果が重要になることが明らかになった。そこで、ガラスやジャミング系に関する解析手法も取り入れて本現象を定量的に評価し、本実験のような生物系と粉体やガラスのような非生物系との共通点と相違点を調査する。
さらに、平成28年度の研究や、近年発表された関連研究の報告などによって、観察領域内に置かれている柱が大腸菌の運動に大きな影響を与えることが示唆されているため、大腸菌の閉じ込めに使われているセルロース膜を多孔性金属に置き換えるなどして、柱のいらない還流系の試作を行う。
以上の研究活動は、研究代表者(竹内)と分担者(若本)、および大学院生と技官が連携して行う。特に、ガラス基板の設計や製作、菌株の作成は主に若本研究室が行い、製作した基板を用いた還流系の構築、実験観察、解析は竹内研究室が中心になって取り組む。
また、本研究課題の成果を学会等で適宜発表し、成果の周知に努める。

  • Research Products

    (22 results)

All 2017 2016

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (17 results) (of which Int'l Joint Research: 10 results,  Invited: 12 results)

  • [Journal Article] Memory and Universality in Interface Growth2017

    • Author(s)
      Jacopo De Nardis, Pierre Le Doussal, and Kazumasa A. Takeuchi
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 118 Pages: 125701/1-5

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.118.125701

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] 1細胞レベルの環境応答と選択の計測2017

    • Author(s)
      中岡秀憲, 梅谷実樹, 若本祐一
    • Journal Title

      化学と生物

      Volume: 55 Pages: 263-268

    • DOI

      10.1271/kagakutoseibutsu.55.263

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Inferring fitness landscapes and selection on phenotypic states from single-cell genealogical data2017

    • Author(s)
      T. Nozoe, E. Kussell, and Y. Wakamoto
    • Journal Title

      PLoS Genetics

      Volume: 13 Pages: e1006653

    • DOI

      10.1371/journal.pgen.1006653

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Characteristic Sign Renewals of Kardar-Parisi-Zhang Fluctuations2016

    • Author(s)
      Kazumasa A. Takeuchi and Takuma Akimoto
    • Journal Title

      Journal of Statistical Physics

      Volume: 164 Pages: 1167-1182

    • DOI

      10.1007/s10955-016-1582-0

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] The Microfluidic lighthouse: an omnidirectional gradient generator2016

    • Author(s)
      A. Nakajima, M. Ishida, T. Fujimori, Y. Wakamoto, and S. Sawai
    • Journal Title

      Lab Chip

      Volume: 16 Pages: 4382-4394

    • DOI

      10.1039/c6lc00898d

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Examples of absorbing-state transitions and universal hysteresis2017

    • Author(s)
      Kazumasa A. Takeuchi
    • Organizer
      International workshop on Glasses and Related Nonequilibrium Systems
    • Place of Presentation
      大阪大学中之島センター(大阪府大阪市)
    • Year and Date
      2017-03-22 – 2017-03-22
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Unique single-cell histories that adapt to antibiotic stress2017

    • Author(s)
      若本祐一
    • Organizer
      第90回日本細菌学会総会
    • Place of Presentation
      仙台国際センター(宮城県仙台市)
    • Year and Date
      2017-03-20 – 2017-03-20
    • Invited
  • [Presentation] KPZクラスにおける 1/f 的ゆらぎ2017

    • Author(s)
      竹内一将
    • Organizer
      日本物理学会 2017 年次大会
    • Place of Presentation
      大阪大学豊中キャンパス(大阪府豊中市)
    • Year and Date
      2017-03-18 – 2017-03-18
  • [Presentation] Constraints and limits in the growth of microbial cells2017

    • Author(s)
      Y. Wakamoto
    • Organizer
      Physical Approaches for Growing and Evolving Population
    • Place of Presentation
      東京大学生産技術研究所(東京都目黒区)
    • Year and Date
      2017-02-11 – 2017-02-11
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Exploring Geometry Dependence of Kardar-Parisi-Zhang Interfaces2017

    • Author(s)
      Kazumasa A. Takeuchi
    • Organizer
      Physical and mathematical approaches to interacting particle systems -In honor of 70th birthday of Herbert Spohn-
    • Place of Presentation
      東京工業大学大岡山キャンパス(東京都目黒区)
    • Year and Date
      2017-01-11 – 2017-01-11
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Integrability and universality behind a random growth experiment2017

    • Author(s)
      Kazumasa A. Takeuchi
    • Organizer
      Frontiers in Mathematical Physics
    • Place of Presentation
      立教大学池袋キャンパス(東京都豊島区)
    • Year and Date
      2017-01-09 – 2017-01-09
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Single-cell dynamics leading to drug resistance acquisition2016

    • Author(s)
      Y. Wakamoto
    • Organizer
      International Symposium on Universal Biology
    • Place of Presentation
      東京大学本郷キャンパス(東京都文京区)
    • Year and Date
      2016-11-28 – 2016-11-28
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Acquisition of drug resistance at the single-cell level2016

    • Author(s)
      Y. Wakamoto
    • Organizer
      第54回日本生物物理学会年会
    • Place of Presentation
      つくば国際会議場(茨城県つくば市)
    • Year and Date
      2016-11-25 – 2016-11-25
    • Invited
  • [Presentation] ストレス環境に対する適応・順応を担う特殊細胞系列の解析2016

    • Author(s)
      若本祐一
    • Organizer
      「細胞を創る」研究会9.0
    • Place of Presentation
      早稲田大学国際会議場(東京都新宿区)
    • Year and Date
      2016-11-21 – 2016-11-21
    • Invited
  • [Presentation] Techniques for measuring and analyzing single-cell histories and lineage trees2016

    • Author(s)
      Y. Wakamoto
    • Organizer
      日本顕微鏡学会第59回シンポジウム
    • Place of Presentation
      帝京平成大学池袋キャンパス(東京都豊島区)
    • Year and Date
      2016-11-18 – 2016-11-18
    • Invited
  • [Presentation] Geometry-dependent interface fluctuations and their implications for chaos instability2016

    • Author(s)
      Kazumasa A. Takeuchi
    • Organizer
      Interdisciplinary Applications of Nonlinear Science
    • Place of Presentation
      鹿児島大学郡元キャンパス(鹿児島県鹿児島市)
    • Year and Date
      2016-11-05 – 2016-11-05
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] ASEP as a surface growth model: universal fluctuation and its experimental test2016

    • Author(s)
      Kazumasa A. Takeuchi
    • Organizer
      Conference on Driven Stochastic Transport in Low-Dimensional Systems
    • Place of Presentation
      Tehran (Iran)
    • Year and Date
      2016-09-27 – 2016-09-27
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 異常拡散としてとらえる界面成長現象2016

    • Author(s)
      竹内一将
    • Organizer
      異常拡散現象をめぐる最近の進展
    • Place of Presentation
      慶應義塾大学日吉キャンパス(神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2016-08-31 – 2016-08-31
    • Invited
  • [Presentation] Growth with noise: experiments and theory2016

    • Author(s)
      Kazumasa A. Takeuchi
    • Organizer
      Nonequilibrium Statistical Physics & Active Matter Systems -- School and Workshop
    • Place of Presentation
      北京(中国)
    • Year and Date
      2016-08-08 – 2016-08-10
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Anomalous time correlation of KPZ and weak ergodicity breaking2016

    • Author(s)
      Kazumasa A. Takeuchi and Takuma Akimoto
    • Organizer
      STATPHYS26
    • Place of Presentation
      Lyon (France)
    • Year and Date
      2016-07-18 – 2016-07-18
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Slow relaxation and aging of universal KPZ fluctuations: how different are circular and flat interfaces?2016

    • Author(s)
      Kazumasa A. Takeuchi
    • Organizer
      Stat'Phys 26 - Statistical Physics Conference Satellite, Non-equilibrium dynamics in classical and quantum systems: From quenches to slow relaxations
    • Place of Presentation
      Pont-a-Mousson (France)
    • Year and Date
      2016-07-15 – 2016-07-15
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Exploring Geometry Dependence of KPZ Interfaces2016

    • Author(s)
      Kazumasa A. Takeuchi
    • Organizer
      新学術領域「ゆらぎと構造の協奏」 第3回領域研究会
    • Place of Presentation
      九州大学伊都キャンパス(福岡県福岡市)
    • Year and Date
      2016-06-19 – 2016-06-19

URL: 

Published: 2018-01-16  

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