2018 Fiscal Year Annual Research Report
metabolism-dependent microrheology of glass-forming cytoplasm
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18H01189
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
水野 大介 九州大学, 理学研究院, 准教授 (30452741)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | マイクロレオロジー / 揺らぎ応答 / 細胞 / アクティブガラス / 代謝 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
力学系としての非平衡系の振る舞いは、系の"非平衡度"に依存する。系に分散させたコロイド粒子の揺らぎ応答をマイクロレオロジー計測することで、両者の関係性を明らかにできる。ただし揺らぎ応答の観測には時間を要するために、観測対象は、定常非平衡系に限定される。そのためには、継続して力学的・化学的エネルギーを注入しつつ、系内で発生した不要物を取り除く循環システムを構築する必要がある。
本研究では、上記の目的細胞や生体内部環境に近い循環型の定常非平衡系を作製した。
高い代謝活動を示す細胞質の化学的・生理的条件を長時間安定させられる試料セルを作製した。厚さ100μm、直径1mm程度の薄い微小試料セルの上面を半透膜で覆い、内部に非平衡試料を封入した(~nL：内液)。その上部に試料の生理活性を維持するための溶液(~mL：外液)を溜めた。これにより内液に発生した試料中の代謝生成物と上清液中の生理活性を持つ小分子を半透膜を介して交換させた。
まず、カルシウムイオンの有無により、ゾル―ゲル転移を引き起こすアルギン酸ナトリウムを用いて、実験系における小分子の交換を確認した。外液の交換により可逆的に内液試料(アルギン酸)の力学特性が変化する様子をマイクロレオロジー計測した。さらに内液を遊走バクテリアの濃厚溶液、外液をその培養液に変更してマイクロレオロジー観測を行った。その結果、内液に古典乱流に良く似た渦状の流動パターン(バクテリア乱流と呼ばれる)が生成し、その状態が1日以上の長期間に渡り安定して継続することを確認した。当該試料中において光捕捉を用いたマイクロレオロジーを行うためには、レーザー光の散乱を抑えるための屈折率整合を行う必要がある。試料の混み合いと屈折率整合を同時に実現する方法も実現し、細胞内部環境に近いアクティブガラス状態が得られた。
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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
マイクロレオロジー計測では、ドリフト(試料の遅い定常流動)や低周波数ノイズを可能な限り取り除くことが重要である。例えば半透膜にたわみが生じている場合、試料全体にわたる流動を抑えることは困難である。また、半透膜を介して試料(内液と外液中の微小分子)が交換する場合、試料交換に伴うドリフトを速やかに鎮静化させるためのチャンバーおよび内外液の試料設計が重要である。
我々は、長年のマイクロレオロジー計測の経験に基づき、微小流路作製よりも簡便な試料チャンバーを作製することで、これらの問題を解決した。超濃厚な大腸菌懸濁試料においてほぼ無制限の期間に渡って活発な遊走状態が継続することを確認した。近年、遊走大腸菌懸濁液は、多彩な集団運動を示すアクティブマターの典型例として、個々の大腸菌の遊走の動力学・形状や相互作用から巨視的な集団運動パターンが生成されるメカニズム(非平衡系の統計力学)の研究が進められてきた。多くの場合、せいぜい1時間以内の過渡的期間中に低次元空間中に閉じ込められた集団運動を観察していることが多い。
我々は、3次元空間中の集団運動を長期に渡り安定的に生成することで、遊走パターンの解析に留まらない、”力学系としてのアクティブマターの性質”を調べるための実験系の開発に成功した。細胞内部の高分子混みあい環境に類似した(ガラス・ジャミング状態に近い)大腸菌遊走状態も実現している。したがって、本研究は概ね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
概ね順調に推移しているために、計画通りに遂行する。
我々は、これまで代謝活性を失わせた細胞抽出液の力学特性を計測することで、細胞の力学特性が主に生体高分子混みあいで決定されることを明らかにしてきた。今後は、開発した生理活性物質交換セルを用いて、細胞骨格、およびモーター蛋白質を失活させたアフリカツメガエルの細胞抽出液を調整して、ATP濃度により代謝を系統的に変化させつつマイクロレオロジー計測を行う。ATP濃度に依存して揺らぎと応答が変化する様子を確認する。外液から細胞骨格重合およびモーター蛋白質による力生成の阻害剤を除去することで、試料内部の力学駆動を出現させてその揺らぎ応答を解析する。
細胞内部は、ガラス形成する生体高分子混みあった環境にあり、しかも、モーター蛋白質等のメカノエンザイムが遊走微生物の代わりに力を生成し、典型的な非平衡状態を作り出している。すなわち、生きた細胞内部の細胞質も“アクティブガラス”としてモデル化できる典型的なアクティブマターである。したがって、その力学的性質が決定される物理的機構は、簡便なモデル系である遊走微生物の濃厚懸濁系と細胞内部環境を比較することで究明することができる。
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