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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Study on active transport phenomena for predicting and controlling biological active matter

Research Project

Project/Area Number 21H04999
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

石川 拓司  東北大学, 医工学研究科, 教授 (20313728)

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, 准教授 (10633456)
沼山 恵子  東北大学, 医工学研究科, 准教授 (30400287)
Project Period (FY) 2021-07-05 – 2026-03-31
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
Outline of Annual Research Achievements

本年度の主要な研究実績は以下の通りである。 1.ヒトやマウスの内臓は、心臓が体の左側にあるなど非対称に配置されている。この左右非対称性は、胚の段階でノード繊毛が協調して流れを作り出すことによって決定されるが、そのメカニズムは長らく未解明であった。我々はマウス胚において、光ピンセットや超解像顕微鏡など独自の先進的な光学顕微鏡を用い、繊毛運動と繊毛流れの数値シミュレーションを行うことで、この問題の解明に挑んだ。その結果、繊毛カーペットが駆動する左向きの体液の流れにより、ノードの左側の不動繊毛は腹側に曲げられ、右側の不動繊毛は背側に曲げられることが明らかとなった。さらに、不動繊毛は腹側への曲げのみに反応する「曲げられる向きを感知できるアンテナ」であり、ノードの左側のみで左側を決めるシグナルを活性化できることを明らかにした。つまり、体の左右非対称性は、ベシクルなどの物質輸送ではなく、力という運動量輸送で決まることを明らかにした。この研究成果は、総合誌で世界最高峰のScience誌に掲載され、プレスリリースされた(Katoh et al., Science, 2023)。 2.流体のジェット流が液滴に分裂する現象は、Rayleigh-Plateau不安定性として知られている。本研究では、流体を「アクティブ流体」に置き換え、この古典的な現象を調べた。その結果、アクティブ流体のジェットは不安定であり、PullerとPusherの遊泳体の間で異なる不安定モードがあることが明らかになった。これらの知見はアクティブマターの特性を理解する上で重要であり、その成果は Ishikawa et al., Phys. Rev. Fluids (2022) に掲載された。 これらの業績を含め、本年度は7編の査読付き雑誌論文と22件の国際会議論文を発表し、4件の招待講演を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

これまでに、以下の特筆すべき研究業績が上がっている。1.体の左右非対称性が繊毛カーペットの運動量輸送で決まることを解明した研究成果が、総合誌で世界最高峰のScience誌に掲載され(Katoh et al., Science, 2023)、NHK NEWS WEBやYahoo Japanニュース、Newsweek日本版、朝日新聞デジタルなどに掲載されて大きな反響を呼んだ。この論文のAltmetricsは200と高く、Top 1%論文にカウントされている(Scopus調べ)。 2.環境流れに逆らう微生物の遊泳を発見した成果はScience Advances誌に掲載され(Ohmura et al., Sci. Adv., 2021)、読売新聞などに掲載されて大きな反響を呼んだ。 当初予想していなかった程のハイインパクトな成果が次々と出ているため、「当初の計画以上に進展している」と判断した。

Strategy for Future Research Activity

次年度は、主に以下の研究課題に取り組む。 1.流れ中の腸内細菌の挙動を明らかにし、挙動を表現できる数理モデルを構築する。ゼブラフィッシュ腸内の流動や細菌挙動を可視化計測できる実験系を構築し、腸内の輸送現象を実験的に計測する。 2.多細胞動物の祖先といわれる襟べん毛虫の群体に注目し、群体としての生物学的機能と進化の利点を力学的な観点から調べる。カイメン襟細胞室のポンプ機能も調べ、襟べん毛虫の群体の機能と比較検討する。 3.バイオフィルムのような微生物の集積構造を想定し、構造内の輸送現象の数値シミュレーションを行う。 4.赤潮藻の培養を行い、日周鉛直運動を再現できる実験系を構築する。背景流れによる赤潮藻の挙動の変化を計測する。 5.精子が集団遊泳するメカニズムを解明し、集団遊泳が受精機能に及ぼす影響を検討する。また、精子の走化性の数理モデル化に取り組む。 6.微生物の遊泳を工学的に応用すべく、マイクロロボットの推進原理を開発する。

  • Research Products

    (34 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 1 results) Presentation (24 results) (of which Int'l Joint Research: 22 results,  Invited: 4 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Cambridge(英国)

    • Country Name
      UNITED KINGDOM
    • Counterpart Institution
      University of Cambridge
  • [Int'l Joint Research] University of Melbourne(オーストラリア)

    • Country Name
      AUSTRALIA
    • Counterpart Institution
      University of Melbourne
  • [Journal Article] Immotile cilia mechanically sense the direction of fluid flow for left-right determination2023

    • Author(s)
      Katoh Takanobu A.、Omori Toshihiro、Mizuno Katsutoshi、Sai Xiaorei、Minegishi Katsura、Ikawa Yayoi、Nishimura Hiromi、Itabashi Takeshi、Kajikawa Eriko、Hiver Sylvain、Iwane Atsuko H.、Ishikawa Takuji、Okada Yasushi、Nishizaka Takayuki、Hamada Hiroshi
    • Journal Title

      Science

      Volume: 379 Pages: 66~71

    • DOI

      10.1126/science.abq8148

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Influence of Respiratory Gas Density on Tidal Volume during Mechanical Ventilation: A Laboratory Investigation and Observational Study in Children2022

    • Author(s)
      Takahashi Kazuhiro、Toyama Hiroaki、Funahashi Yutaro、Kawana Shin、Ejima Yutaka、Kikuchi Kenji、Ishikawa Takuji、Yamauchi Masanori
    • Journal Title

      The Tohoku Journal of Experimental Medicine

      Volume: 256 Pages: 271~281

    • DOI

      10.1620/tjem.2022.J003

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Soft Microswimmer Powered by Fluid Oscillation2022

    • Author(s)
      Ishikawa Takuji、Morita Takeru、Omori Toshihiro
    • Journal Title

      Journal of Robotics and Mechatronics

      Volume: 34 Pages: 298~300

    • DOI

      10.20965/jrm.2022.p0298

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Bacterial behaviors in confined diorama environments2022

    • Author(s)
      Ishikawa Takuji
    • Journal Title

      Biophysical Journal

      Volume: 121 Pages: 2487~2489

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2022.05.045

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Self-sustaining oscillation of two axonemal microtubules based on a stochastic bonding model between microtubules and dynein2022

    • Author(s)
      Omori T.、Munakata S.、Ishikawa T.
    • Journal Title

      Physical Review E

      Volume: 106 Pages: 014402

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.106.014402

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Reciprocating intestinal flows enhance glucose uptake in C. elegans2022

    • Author(s)
      Suzuki Yuki、Kikuchi Kenji、Numayama-Tsuruta Keiko、Ishikawa Takuji
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 12 Pages: 15310

    • DOI

      10.1038/s41598-022-18968-1

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Instability of an active fluid jet2022

    • Author(s)
      Ishikawa Takuji、Dang Thanh-Nghi、Lauga Eric
    • Journal Title

      Physical Review Fluids

      Volume: 7 Pages: 013104

    • DOI

      10.1103/PhysRevFluids.7.093102

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] HYDRODYNAMICS OF CILIARY SWIMMING2022

    • Author(s)
      Takuji Ishikawa and Toshihiro Omori
    • Organizer
      Biological Fluids & Flows
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Biomechanical model of microbial taxis and behaviors2022

    • Author(s)
      Takuji Ishikawa
    • Organizer
      Engineering Mechanics of Cell and Tissue Morphogenesis
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Bubble lnduced Transport Phenomena in Yeast Fermentation2022

    • Author(s)
      Takuji Ishikawa,Atul Srivastava,Kenji Kikuchi
    • Organizer
      9th World Congress of Biomechanic
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Dynamic simulation of a 3D sperm suspension2022

    • Author(s)
      Nanami Taketoshi,Toshihiro Omori,Takuji Ishikawa
    • Organizer
      9th World Congress of Biomechanic
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Computational Biomechanics of the Sponge's Choanocyte Chamber2022

    • Author(s)
      Takumi Ogawa,Toshihiro Omori,Takuji Ishikawa
    • Organizer
      9th World Congress of Biomechanic
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Microstructure of a Suspension of Soft Microswimmers2022

    • Author(s)
      Kiyoto Kubo,Toshihiro Omori,Takuji Ishikawa
    • Organizer
      9th World Congress of Biomechanic
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Mass transport in induced by a packed lattice of squirmers2022

    • Author(s)
      Yu Kogure,Toshihiro Omori,Takuji Ishikawa
    • Organizer
      9th World Congress of Biomechanic
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Bubble Structure in proofing Dough visualized by X-ray Microtomography2022

    • Author(s)
      Kyosuke Kimura,Kenji Kikuchi, Keiko Numayama, Takuji Ishikawa
    • Organizer
      9th World Congress of Biomechanic
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Microbial transport of E.coli in the gut of a zebrafish larva2022

    • Author(s)
      Yuta Kikunaga,Kenji Kikuchi, Keiko Numayama-Tsuruta, Takuji Ishikawa
    • Organizer
      9th World Congress of Biomechanic
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Sustainable filter feeding and self-cleaning on a fresh-water sponge2022

    • Author(s)
      Kei Kawashima,Kenji Kikuchi,Takuji Ishikawa
    • Organizer
      9th World Congress of Biomechanic
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Transport of liposome in zebrafish larvae intestine2022

    • Author(s)
      Jiawei Huang,Kenji Kikuchi, Keiko Numayama-Tsuruta, Takuji Ishikawa
    • Organizer
      9th World Congress of Biomechanic
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] MODELING SPERM SUSPENSION IN THREE DIMENSIONS2022

    • Author(s)
      Nanami Taketoshi, Toshihiro Omori and Takuji Ishikawa
    • Organizer
      PSFVIP13
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] COMPUTATIONAL MODELING OF THE SPONGE'S CHOANOCYTE CHAMBER2022

    • Author(s)
      Takumi Ogawa,Toshihiro Omori,Kenji Kikuchi and Takuji Ishikawa
    • Organizer
      PSFVIP13
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] VISUALIZATION OF A FRESHWATER-SPONGE SNEEZING2022

    • Author(s)
      Kei Kawashima, Kenji Kikuchi and Takuji Ishikawa
    • Organizer
      PSFVIP13
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] VISUALIZATION OF FLOW FIELD INDUCED BY HYDRODYNAMIC INTERACTIONS OF SWIMMING MICROORGANISM2022

    • Author(s)
      Kiyoto Kubo, Toshihiro Omori and Takuji Ishikawa
    • Organizer
      PSFVIP13
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] SIMULATION OF A PACKED SUSPENSION OF MICROSWIMMERS2022

    • Author(s)
      Yu Kogure,Toshihiro Omori and Takuji Ishikawa
    • Organizer
      PSFVIP13
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Visualization of Bubble Dynamics inside the Proofing Bread Dough using X-ray Microtomography2022

    • Author(s)
      Kyosuke Kimura, Kenji Kikuchi, Keiko Numayama, Takuji Ishikawa and Taimei Miyagawa
    • Organizer
      PSFVIP13
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Visualization of microbial transport in the gut of a zebrafish larva2022

    • Author(s)
      Yuta Kikunaga, Kenji Kikuchi, Keiko Numayama-Tsuruta and Takuji Ishikawa
    • Organizer
      PSFVIP13
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Modeling of Internal Driving Force During Sperm Hyperactivation2022

    • Author(s)
      S.Kamijo,T.Omori,T.Ishikawa
    • Organizer
      ICFD2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Flying Yeast:Aerosol Particles Released during the Fermentation2022

    • Author(s)
      R.Onishi,K.kikuchi,T.Ishikawa
    • Organizer
      ICFD2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Flow Promoted by Locomotions in C. elegans2022

    • Author(s)
      Y.Asoshina,K.kikuchi,T.Ishikawa
    • Organizer
      ICFD2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Pumping Efficiency of Spongillidae's Choanocyte Chamber2022

    • Author(s)
      Takumi Ogawa,Toshihiro Omori,Kenji Kikuchi and Takuji Ishikawa
    • Organizer
      ISABMEC2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 微生物の走性・行動の力学モデル2022

    • Author(s)
      石川拓司
    • Organizer
      第55回日本原生生物学会大会
    • Invited
  • [Presentation] 精子の流体力学:走流性と集団遊泳2022

    • Author(s)
      石川拓司
    • Organizer
      第52回精子研究会
    • Invited
  • [Remarks] Biological Flow Studies Laboratory

    • URL

      http://www.bfsl.mech.tohoku.ac.jp/index_jp.html

URL: 

Published: 2024-12-25  

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