2022 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 / 秩序形成 / 上皮細胞 / 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．本研究ではこれまでに，遊泳バクテリアのアクティブ乱流を微小なマイクロウェルに封じ込めることで現れるキラル集団運動を報告し，渦の相互作用に幾何的なルールがあることを明らかにした（PNAS 2021）．このような幾何的ルールは広く成立するものと期待されるが，細胞集団のように複雑な系においては詳細な検討はなされていない．そこで本年度は上皮細胞集団に対しても同様のルールが成立するかを検証した．上皮細胞（MDCK細胞）は強固な細胞接着を介した配向相互作用を示し，集団運動では多数の渦がうごめくアクティブ乱流状態を形成する．複数の渦ペアが相互作用して現れる集団運動を計測するため，上皮細胞の基盤接着と運動性を損なうことなく幾何的に設計された領域内に細胞集団をパターニングする手法を開発した．２つ/３つの渦の相互作用の強さを境界形状の設計で変化させ，渦ペアの秩序形成を解析したところ，バクテリアの集団運動と同様のルールが成立することがわかった．しかし従来の系と異なる点として，同方向に回転する渦ペアから逆向きに回転する渦ペアへ転移するのではなく，不規則な運動状態に転移することがわかった．これは細胞同士が接着した弾性的性質によって逆回転する渦ペアが維持できない状態に遷移していることが考えられる．上皮細胞の弾性的性質は振動状態の出現や固体的状態への転移に関わり，乱れの原因を突き止めるため理論的解析と数値計算モデルの解析を進めている．バクテリアから細胞集団まで集団運動の幾何的制御を通じて，アクティブ乱流に潜む幾何的普遍性の一旦を解明できたと評価できる．
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| Research Progress Status |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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