2019 Fiscal Year Research-status Report
細菌のべん毛運動の観察による走化性モデルの再構築と集団運動の予測
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19K04193
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| Research Institution | Tottori University |
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Principal Investigator |
中井 唱 鳥取大学, 工学研究科, 准教授 (80452548)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
後藤 知伸 鳥取大学, 工学研究科, 教授 (00260654)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 細菌 / 走化性 / べん毛 / 方向転換 / 誘引物質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
A.方向転換角度の計測と数理モデルへの反映
細菌は好ましい化学物質を検知し遊泳方向を変えることで、より高濃度の領域に集まる性質（走化性）を持つ。周毛性細菌は細胞の周りに複数あるべん毛を束ねて直進遊泳するが、方向転換時は、束ねられたべん毛が解かれる。誘引物質の濃度勾配が存在する環境下において、サルモネラ菌（Salmonella typhimurium SJW1103）の方向転換角度が遊泳方向に応じて変化することを明らかにした。誘引物質に近づく場合の方が遠ざかる場合に比べて方向転換角度は小さくなることが分かった。さらに、この方向転換角度の違いが走化性にどれくらい影響するかについて、バイアス付きランダムウォークモデルにより数値解析した。細菌の走化性についてこれまでの知見では、誘引物質に近づく場合に方向転換の頻度が下がることで起こるとされていたが、方向転換の頻度を変えずに本研究で観測された方向転換角度分布を考慮するだけで、細菌は誘引物質周りに留まり続けられることが分かった。
B.ピエゾ駆動対物レンズを用いた走化性の3次元計測
対物レンズに設置したピエゾ素子に正弦波状の電気信号を入力してレンズを鉛直方向に振動させ、誘引物質存在下における単毛性細菌ビブリオ菌（Vibrio Alginolyticus YM4）の遊泳軌跡のの三次元計測を行った. 目視でピントの合った画像の抽出を行い, 3マイクロメートル程度の精度で奥行方向の菌体位置を求められた. また, ビブリオ菌の方向転換は, 真後ろへの方向転換と横方向への方向転換を交互に行っていることが確認できた. 画像抽出の自動化も試みたが、ピエゾ素子の位置情報信号とカメラ映像の同期がとれていないために、時間経過に伴い計測精度が悪化した。
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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
当初の2019年度の計画は、「A.誘引物質存在下での細菌の方向転換頻度・角度を詳細に調べる、B.対物レンズの高速スキャンによる３次元計測を行う、C.得られた知見を基に、走化性の数理モデルの見直しを行い、誘引物質への集積過程のシミュレーションを行う」であった。このうちA.については、ほぼデータ収集および解析を終えた段階であり、B.については計測精度に課題は残るが、ピエゾ素子を用いた計測系が構築できた。C.については、細菌単体の挙動のシミュレーションにとどまり、複数体の細菌の場合については検討できていないが、A.の知見を基にした数理モデルの再構築が行えた。以上により、進捗状況はおおむね順調と言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度はまず、上記「研究実績の概要」に関する課題の解決を目指す。A.の項目については、方向転換角度と細菌べん毛の束の解け具合との関連が強いことから、蛍光色素によるべん毛の可視化を行う。B.の項目については、画像処理による自動計測の為のピエゾ電圧とカメラ画像の同期取込、が課題として挙げられる。これが可能となれば、対象物の自動追尾が実現でき、長時間の3次元計測により詳細な細菌の挙動が計測できる。
またあわせて、当初の計画（下記）を行う。上記項目の進捗具合を見ながら、2020年度後半頃から着手したい。
・細菌の密集状態における、修正走化性モデルの適用可能範囲を調査：細菌の集団運動は、柔らかい寒天培地上で数時間培養することで、容易に生成可能である。この状態で、誘引物質を充填した毛細管をマニピュレータにより操作し、培地上に少量吐出する。菌数密度を様々に変えて観測し、再構築した数理モデルがどの程度の菌数密度まで適用可能かを検討する。予想としては、細菌個々の遊泳方向転換が密集時は抑えられ、走化性の現れ方に質的な違いが現れるものと思われる。
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| Causes of Carryover |
予定していた出張がキャンセルになったため。次年度での装置購入費（高速度カメラ画像と入力波形の同期取込システム）に充てる。
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