2021 Fiscal Year Annual Research Report
Geometric universality of ordered vortices and turbulent states in chiral active matter
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20H01872
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
前多 裕介 九州大学, 理学研究院, 准教授 (30557210)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮崎 牧人 京都大学, 白眉センター, 特定准教授 (40609236)
島本 勇太 国立遺伝学研究所, 遺伝メカニズム研究系, 准教授 (80409656)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | アクティブマター / バクテリア / マイクロ流体デバイス / 秩序形成 / キラリティー / 乱流 / 非平衡物理学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
自律的に動き，密度の高まりと共に集団となって秩序だった運動を示す物質群をアクティブマターという．本研究の目標は，アクティブマターのなかでも隠れた渦の秩序性を持つアクティブ乱流現象をモデルとして，幾何学的特徴をもとに秩序形成の原理を明らかにすることにある．これまでに遊泳バクテリアが示すアクティブ乱流から規則的な渦運動を抽出する微小流体デバイスを設計し，多数の相互作用する秩序渦が示すパターン形成には幾何的ルールが存在することを明らかにした．同じ回転方向から反対向きの回転方向の渦ペアに転移する際には基本転移点となる幾何的制約があり，このルールが遊泳バクテリアのみならずキネシン分子モーターに駆動される微小管集団運動でも成立することを実験，数値計算，理論で示した．さらに興味深いことに，運動の左右対称性が破れたキラルアクティブマターでは，基本転移点からのズレがキラリティーを介した配向相互作用の相対的な強さを表すという幾何的ルールに拡張できることを新たに見出した．以上の成果から，アクティブ乱流における秩序渦の幾何的普遍性をキラリティーをも含む形で明らかにしている．今後は，流動的な乱流状態から固体的なジャミング状態への「流体固体転移」を幾何的ルールから評価することを計画している．予備的結果では，乱流状態でもジャミング状態でも基本転移点からのズレは微小であることを示すデータが得られており，その詳細をActive Vertexモデルの理論的解析と数値計算を用いて明らかにする予定である．さらに，集団運動と３次元の形態形成，細胞分化が密接に関わる培養細胞系でも幾何的ルールを計測する．以上の研究をもとに，キラリティーやトポロジーといった幾何的構造からアクティブマターの基本原理を探求し，さらに非平衡多体系として生命現象をとらえる研究基盤の創出につなげる．
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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
自律的に動き，密度の高まりと共に集団となって秩序だった運動を示す物質群をアクティブマターという．本研究の目標は，アクティブマターのなかでも隠れた渦の秩序性を持つアクティブ乱流現象をモデルとして，幾何学的特徴をもとに秩序形成の原理を明らかにすることにある．これまでに遊泳バクテリアが示すアクティブ乱流から規則的な渦運動を抽出する微小流体デバイスを設計し，多数の相互作用する秩序渦が示すパターン形成には幾何的ルールが存在することを明らかにした．同じ回転方向から反対向きの回転方向の渦ペアに転移する際には基本転移点となる幾何的制約があり，このルールが遊泳バクテリアのみならずキネシン分子モーターに駆動される微小管集団運動でも成立することを実験，数値計算，理論で示した．さらに興味深いことに，運動の左右対称性が破れたキラルアクティブマターでは，基本転移点からのズレがキラリティーを介した配向相互作用の相対的な強さを表すという幾何的ルールに拡張できることを新たに見出した．渦回転の左右対称性が破れたキラルなバクテリア秩序渦の計測により，その関係が実験的にも成立することを明らかにした．以上の成果から，アクティブ乱流における秩序渦の幾何的普遍性をキラリティーをも含む形で明らかにすることが出来た．
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| Strategy for Future Research Activity |
遊泳バクテリアの集団運動とその渦ペア秩序転移でみられた幾何的ルールは，アクティブマターの詳細によらない配向相互作用の幾何的普遍性を反映すると共に，対象とする集団運動に特有の性質を評価するために基本転移点からのズレの計測が有効であることを示している．この転移点を詳細に計測することで，集団運動の状態遷移を評価することを試みる．具体的には，上皮細胞は増殖により密度が増加し，集団運動の振る舞いが遷移することが知られており，流動的な乱流状態から固体的なジャミング状態への「流体固体転移」を幾何的ルールから評価することを予備的に進めている．これまでの結果では，乱流状態でもジャミング状態でも基本転移点からのズレは微小であるが，渦ペア秩序は遊泳バクテリアのような極性配向の集団運動とは異なる点がある．その詳細を実験と理論，またActive Vertexモデルといった数値計算を用いて明らかにする．その他，集団運動と３次元の形態形成，細胞分化が密接に関わる培養細胞系でも幾何的ルールを計測する準備が完了し，位相欠陥による流れの発生が基本点移転からのズレとして現れることも見出している．以上の研究をもとに，キラリティーやトポロジーといった幾何的構造からアクティブマターの基本原理を探求し，さらに非平衡多体系として生命現象をとらえる研究基盤の創出につなげる．
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