Theory of polydisperse colloidal suspension and its application to intracellular diffusion

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 18K03417
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 12040:Applied mathematics and statistics-related
• Research Institution: Naruto University of Education
• Principal Investigator: Miyaguchi Tomoshige 鳴門教育大学, 大学院学校教育研究科, 教授 (10367071)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: ブラウン運動 / コロイド

Outline of Final Research Achievements

(1) Fluctuating diffusivity: Cytoplasm is crowded with macromolecules. Due to the crowding, diffusivity in cytoplasm is about 10 times less than that at infinite dilution. In this study, the reduction rate of diffusivity in a coarse-grained model of cytoplasm is derived.
(2) Non-Gaussianity and anomalous diffusion: Single particle experiments have revealed that relatively large molecules in cytoplasm exhibit complex diffusion. In particular, intrinsic statistical properties such as non-Gaussianity and anomalous diffusion have been found. Therefore, a novel stochastic equation of motion (a generalized Langevin equation with fluctuating diffusivity) is proposed.

Free Research Field

統計物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

(1)拡散性の低減: 細胞質の粗視化モデルの拡散性低減に関する最初の理論的な結果である。これらの結果はいまだ十分なものではないが、今後より精密化されることが期待される。このような理論解析の結果は細胞内輸送特性のより深い理解につながると考えられる。
(2)非ガウス性と異常拡散: 「拡散性が揺らぐ一般化ランジュバン方程式」はこれまで提案されてきた現象論的モデルと同様に、異常拡散と非ガウス性を共に再現する。それに加えて揺動散逸定理を満たすことから物理的な基礎付けも与えられている。この点から、細胞内拡散現象などを説明する理論モデルとして非常に有望であると考えている。