2020 Fiscal Year Annual Research Report
生体分子マシンが誘起する細胞内レオロジー応答の理論研究
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19J20271
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan University |
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Principal Investigator |
保阪 悠人 東京都立大学, 大学院理学研究科, 特別研究員(DC1)
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2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | 生体分子マシン / 反対称粘性率 / 粘性率 / 非平衡性 / 細胞内環境 / 理論的解析 / 流体相互作用 / 拡散係数 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、細胞内化学反応に関わる遺伝子を特定することによって、細胞内の機械的性質を明らかにする研究が行われてきた。一方最近では、細胞内の非平衡性を定量化することで、細胞の生物らしさを抽出する研究が幅広く行われている。本研究では、大域的な測定から得られる粘性率を調べることにより、細胞内の広範囲の非平衡性を定量化することを目的とする。
以下に、2020年度の研究課題に関して実施した二つの研究を報告する。
(1)生体分子マシンのアクティブ・ダンベルモデル：細胞内環境の再現のために、非平衡性を内在する生体分子マシンのミニマムモデルを検討する必要がある。そこで、生体分子マシンを粗視化したアクティブ・ダンベルモデルを考慮し、モデルが従う確率微分方程式の数値計算を行った。解析の結果、分子マシンのエネルギー源である基質濃度上昇に伴い、非平衡性を特徴付ける時間相関関数が指数関数的減衰から振動減衰へと振る舞いを変えることが分かった。また、基質の高濃度極限においては、数値計算と解析計算の結果が一致した。この成果は、Soft Matter誌から出版された。
(2)反対称粘性率をもつ二次元流体における非相反応答：細胞内環境と類似性のあるアクティブ・カイラル流体の流体力学を調べる目的で、反対称粘性率をもつ二次元圧縮性流体のグリーン関数を導出した。グリーン関数は、流体中の点に働く力とそれが誘起する速度の関係を記述し、そのテンソル表現は通常の流体では対称になる。一方反対称粘性率をもつ流体においては、グリーン関数が非対称になることが本研究で明らかになった。 また、この特異的性質は非相反的な流体力学応答を引き起こし、速度場の対称性が破れることが分かった。更に、二次元流体中を移動する円盤には、移動方向と垂直に揚力が発生することが明らかになった。この成果は、Physical Review E誌からの出版が予定されている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
課題(1)に関しては、当初の予定よりは遅いが2020年度に論文出版を行うことができた[Y. Hosaka, S. Komura, and A. S. Mikhailov, "Mechanochemical enzymes and protein machines as hydrodynamic force dipoles: the active dimer model", Soft Matter 16, 10734-10749 (16pp) (2020)]。本研究では、生体分子マシンをモデル化したアクティブ・ダンベルを構成する結合が強い場合、分子マシン溶液における拡散が抑制されることが分かった。
さらに、当初の研究計画では予期していなかったが、時間と空間に関する反転対称性が破れた、アクティブ・カイラル流体に存在する反対称粘性率に関する研究を行い成果を出版した[Y. Hosaka, S. Komura, and D. Andelman, "Nonreciprocal response of a two-dimensional fluid with odd viscosity", Phys. Rev. E 103, 042610 (11pp) (2021)]。また、この研究結果について、オンライン開催された研究会や学会で発表・議論を行い、情報発信に努めた。生体分子マシンが分散した細胞や生体膜内環境はアクティブ・カイラル流体と見なすことができるため、反対称粘性率の流体力学的な性質の解明によって、本研究課題が大きく促進することが期待される。
以上の成果より、現在までの進捗状況として、当初の計画以上に研究は進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
課題(2)の延長として、任意の円盤サイズの場合について解析を拡張する。既に出版した論文では、円盤半径が流体力学的な遮蔽長に比べて十分小さい極限を考慮しているが、反対称粘性率をもつ流体の包括的理解のために大きい円盤に関する解析も行う。具体的には、二次元流体の周囲に三次元流体を考慮することによって、当該解析を可能にする。
また、生体膜中には機能を発揮するタンパク質の集合体であるラフトと呼ばれる流体ドメイン(液滴)が存在している。この状況を考慮するために、液滴に対して剛体円盤と同様の解析を行う。解析計算において予測される困難さとしては、ドメイン表面における境界条件が非自明なことが挙げられる。この問題を回避する手段として、課題(2)で導出したグリーン関数を用いて境界条件の構築を目指す。本研究が完成した暁には、反対称粘性率をもつ流体における剛体・液滴物体の振る舞いが明らかになり、細胞内環境における流体力学の理論的取り扱いに関する理解が進むことが予想される。また、課題(2)の延長であることから、論文としてまとめる際には国際共同研究になる可能性があり、計上した予算を議論・論文執筆のための旅費等に使う予定である。
一方、新規の課題として、反対称粘性率をもつ流体の相分離現象の数値解析を行う。通常の粘性率と異なり、反対称粘性率は速度場に直行する横方向の応力に寄与する。この特異な流体力学的な応答は、流体境界に沿った一方向の流れであるエッジカレントを引き起こす。相分離現象では、互いに異なる成分の流体間に界面が多数形成されるため、エッジカレントが相分離ダイナミクスに与える影響が興味を持たれる。具体的な解析方法として、ナビエ・ストークス方程式の数値シミュレーションを行う。予備的な計算では、相分離後期段階において、ドメイン境界に速度場が確認されている。
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