2021 Fiscal Year Annual Research Report
Study on active transport phenomena for predicting and controlling biological active matter
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21H04999
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
石川 拓司 東北大学, 医工学研究科, 教授 (20313728)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
菊地 謙次 東北大学, 工学研究科, 准教授 (00553801)
大森 俊宏 東北大学, 工学研究科, 助教 (10633456)
沼山 恵子 東北大学, 医工学研究科, 准教授 (30400287)
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| Project Period (FY) |
2021-07-05 – 2026-03-31
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| Keywords | アクティブマター / 微生物 / 数理モデル / シミュレーション / 可視化計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は研究の立ち上げを行い、大規模な計算設備と実験設備を入札により導入した。主要な研究実績は以下の通りである。
１．テトラヒメナが背景流れに対して走流性を示すことを世界に先駆けて発見した。この成果は総合誌で世界最高峰のScience Advances誌に掲載され、プレスリリースされた（Ohmura, et al., Science Adv. 2021）。 ２．クラミドモナスも走流性を示すことを発見した。実験と理論、数値シミュレーションを融合し、そのメカニズムを解明した（Omori, et al., J. Fluid Mech. 2021）。 ３．さまざまな遊泳モードを持つ微生物の2体干渉の解析を行い、干渉運動の相図を作成することで、微生物干渉を体系的に理解した（Darveniza, et al., Phys. Rev. Fluids,2022）。 ４．数値解析手法の高度化にも取り組み、汎用性の高い境界要素法と近接場が得意な潤滑理論を融合させたLT-BEMを開発した。（Ishikawa, J. Comp. Phys., 2022）。 ５．開発した微生物解析プラットフォームをバイオフィルムの形成過程へと展開した。複雑流路内に形成されるストリーマーの形成過程を細胞スケールから調べ、マクロなレオロジー特性とストリーマー形状との関係を解明した（Kitamura, et al., J. R. Soc. Interface, 2021）。 ６．開発した微生物解析プラットフォームを酵母の発酵過程へと展開した。マルチスケール解析プラットフォームを用いて培養時の輸送現象を定量的に解明した。この成果はSoft Matter誌の背表紙を飾り、プレスリリースされた（Srivastava, et al., Roy. Soc. Open Sci., 2021; Soft Matter, 2021）。
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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
研究開始初年度にもかかわらず、２件のプレスリリースを行った。１つ目はテトラヒメナの走流性に関するものであり、総合誌で世界最高峰のScience Advances誌に掲載された。２つ目は酵母発酵時のブラジルナッツ効果に関するものであり、アクティブマター分野で最高峰のSoft Matter誌の背表紙を飾った。
さらに、次年度以降に取り組む予定であったバイオフィルム研究が予想を上回るペースで進展し、複雑流路内に形成されるストリーマーの形成過程を解明した（Kitamura, et al., J. R. Soc. Interface, 2021）。
また、2022年度に導入予定であった実験設備「4次元ナノイメージングシステム」の入札が間に合ったため、2021年度に導入できた。
以上を鑑み、当初の計画以上に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は、主に以下の研究課題に取り組む。
１．ナノスケールの分子モーターの駆動力が、ミクロスケールの鞭毛運動を生み出す仕組みを数理モデル化する。そして、鞭毛運動のメカニズムを力学的に解明する。 ２．ノード繊毛は、発生初期において体の左右軸を決める重要な役割を果たすが、ノード流れを感知する生物学的機序は分かっていない。ノード繊毛が作る流れと、センサー繊毛が受ける力学的刺激を数値シミュレーションによって定量化し、マウスを用いた動物実験と融合させることで、体の左右軸が決まるメカニズムを解明する。 ３．カイメンの実験系を用い、水路網の構造と流れを可視化計測する。実験に対応する数値シミュレーションも行い、襟鞭毛室のポンプ機能を解明する。 ４．多細胞動物の起源とされる襟べん毛虫の数理モデルを構築し、数値シミュレーションを行うことで、遊泳能と摂食能を定量的に明らかにする。そして、多細胞化がもたらす利点を、輸送現象論の立場から明らかにする。 ５．微生物アクティブマターの数値シミュレーションを行い、細胞群が作り出すメゾスケールの空間構造を調べる。微生物の遊泳モードや数密度をパラメータとして変化させ、凝集や配向、渦構造など違いを体系的に整理する。 ６．バイオフィルムなどの微生物が集積した構造に着目し、アクティブマター内の物質輸送現象を数値シミュレーションで調べる。物質拡散テンソルを導出することで、マクロな輸送現象を細胞スケールから理解する。 ７．蛍光グルコースを線虫に摂食させる実験系を構築し、腸壁での物質吸収を可視化計測する。腸の蠕動運動に欠陥のあるミュータントと比較することにより、腸運動と物質吸収の関係を定量的に明らかにする。 ８．マクロスケールの輸送現象論を気道における物質輸送に適用する。そして、高濃度麻酔ガスを使用する際の適切な換気容積について、臨床および実験で検討する。
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