高密度細菌集団の秩序創発・状態制御を司る熱統計力学原理の探求

• Project Area: Information physics of living matters
• Project/Area Number: 19H05800
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 竹内 一将 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (50622304)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 西口 大貴 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (20850556)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥92,040,000 (Direct Cost: ¥70,800,000、Indirect Cost: ¥21,240,000); Fiscal Year 2022: ¥15,860,000 (Direct Cost: ¥12,200,000、Indirect Cost: ¥3,660,000); Fiscal Year 2021: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000); Fiscal Year 2020: ¥18,720,000 (Direct Cost: ¥14,400,000、Indirect Cost: ¥4,320,000); Fiscal Year 2019: ¥25,740,000 (Direct Cost: ¥19,800,000、Indirect Cost: ¥5,940,000)
• Keywords: アクティブマター / 非平衡統計力学 / 微小流体デバイス / バクテリア / ガラス / 微笑流体デバイス / 生物物理学

Outline of Research at the Start

高密度の細菌集団に対して、均一かつ制御された環境下での計測を実現する独自デバイス「広域マイクロ灌流系」を拡張、活用して、細菌集団の協同的現象を記述する熱統計力学原理の理解と探求を目指す。特に対象とするのは高密度細菌集団の凝集現象であり、実験と理論の比較を通して、自己駆動粒子等の系に一般化された熱力学アプローチの有効性を検証する。また、以上の知見と、光トラップやフィードバック制御などの実験技術を組み合わせて、細菌の凝集状態の実験的制御を目指すとともに、細菌集団を記述しうる熱統計力学量の計測や概念の検証を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本年度はまず、前年度に引き続き、成長条件から飢餓条件への切り替えで見られる細胞サイズ変化の統計法則について研究を進めた。実験的には、細胞サイズ分布はスケール不変ながら、その形状が成長条件での培地種類に依存することを発見した。これは、培地切替をゆっくり行えばスケール不変性が破れることを示唆する。そこで我々は、様々な切替速度に対する飢餓過程を数値計算で実施したところ、スケール不変性が成り立つか否かの転移が存在することを発見した。スケール不変性の成立にバクテリアのmultifork複製機構が関わっていることの示唆も得た。以上の成果は、非定常環境下における細胞サイズゆらぎが比較的単純な情報物理学的機構で支配されていることを示唆している。
高密度菌集団の集団運動状態については、前年度に、相分離様現象とガラス様現象の２種類の凝固過程があることを見出していた。本年度は、様々な培養条件の検討により、凝固過程の種類決定の主たる要因が界面活性剤の有無にあることを見出した。さらに、ガラス様現象の統計的特徴を解析し、ガラス系の特徴である動的不均一性が確認できた一方で、大腸菌集団では中距離的なネマチック秩序が発達することで、通常のガラス系と異なる統計的性質があることも見出した。また、菌液に蛍光ビーズを混ぜ、蛍光ビーズをトラッキングすることにより、菌集団の運動状態の特徴計測を行った。その結果、中程度の菌密度では、菌運動の効果によりビーズ拡散係数が熱ゆらぎより増大し、高密度ではガラス化によって拡散係数が急激に減少することがわかった。また、ガラス的領域において変位の非ガウス性を示唆する結果も得られ、混み合い現象における集団運動の特徴を整理することができた。
本年度はさらに、光ピンセット系の構築を行い、コロイド粒子等をトラップして動作確認を完了したほか、ガルバノミラーも組み込んでトラップ位置の振動も可能とした。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度計画の主要部分であった、高密度状態の菌集団に対する運動状態の計測と評価、相分離様現象とガラス様現象が現れる実験条件の決定因子の同定、光ピンセット系の構築をすべて達成することができた。また、飢餓過程における細胞サイズ分布のスケール不変性については、スケール不変性の成否に関する転移の発見やmultifork複製機構の重要性の示唆など、計画以上の顕著な成果が得られた。本成果は、multifork複製機構が細胞状態の保持に寄与している可能性を示すものであり、情報物理学としての意義が大きい。

Strategy for Future Research Activity

本年度の研究により、ガラス様状態においては大腸菌集団に中距離的なネマチック秩序が発達し、それにより形成される動的クラスターが集団の運動状態にも影響を与えている可能性が示唆された。そこで来年度は、その仮説をより定量的に検討すべく、必要な画像解析と統計解析を進める。また、本年度に構築した光ピンセット系を大腸菌集団に対して用い、集団状態への影響、特にその安定性の検証を行う。コロイド粒子をトラップすることで、菌集団にどのような影響を与えられるかについても検討する。
また、これまでの研究によって、細菌集団の増殖に伴うネマチック秩序の発達、特にトポロジカル欠陥などの特徴的構造の出現が示唆された。そこで来年度は、高密度細菌集団におけるトポロジカル欠陥の役割を検証する実験を新たに策定し、実施する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ENS-Paris/Sorbonne Universite/ESPCI Paris(フランス)
• [Int'l Joint Research] Warwick University(英国)
• [Int'l Joint Research] Niels Bohr Institute(デンマーク)
• [Int'l Joint Research] Technische Universitat Berlin/Physikalisch-Technische Bundesanstalt(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Argonne National Laboratory/Pennsylvania State University(米国)
• [Int'l Joint Research]
• [Int'l Joint Research] Warwick University(英国)
• [Int'l Joint Research] ENS Paris/College de France(フランス)
• [Int'l Joint Research] 上海交通大学(中国)
• [Int'l Joint Research] Niels Bohr Institute(デンマーク)
• [Int'l Joint Research] Technische Universitat Munchen(ドイツ)
• [Int'l Joint Research]
• [Journal Article] Pair correlation of dilute active Brownian particles: From low-activity dipolar correction to high-activity algebraic depletion wings (2021)
  • Author(s): Alexis Poncet, Olivier Benichou, Vincent Demery, Daiki Nishiguchi
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 103 Pages: 012605-012605
  • DOI: 10.1103/physreve.103.012605
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Organizing bacterial vortex lattices by periodic obstacle arrays (2020)
  • Author(s): Henning Reinken, Daiki Nishiguchi, Sebastian Heidenreich, Andrey Sokolov, Markus Baer, Sabine H. L. Klapp, Igor S. Aranson
  • Journal Title: Communications Physics Volume: 3 Pages: 76-76
  • DOI: 10.1038/s42005-020-0337-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Direct Evidence for Universal Statistics of Stationary Kardar-Parisi-Zhang Interfaces (2020)
  • Author(s): Iwatsuka Takayasu、Fukai Yohsuke T.、Takeuchi Kazumasa A.
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 124
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.250602
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 液晶が切り拓く非平衡統計力学の普遍法則 (2020)
  • Author(s): 竹内一将
  • Journal Title: 日本液晶学会誌 Volume: 24 Pages: 218-227
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Kardar-Parisi-Zhang Interfaces with Curved Initial Shapes and Variational Formula (2020)
  • Author(s): Fukai Yohsuke T.、Takeuchi Kazumasa A.
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW LETTERS Volume: 124 Pages: 060601-060601
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.060601
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] <講義ノート>KPZ普遍クラス --厳密解と実験が奏でる非平衡のスケーリング則-- (2020)
  • Author(s): 竹内一将
  • Journal Title: 物性研究・電子版 Volume: 8 Issue: 1 Pages: [1]
  • DOI: 10.14989/245743
  • NAID: 120006796453
  • Open Access
• [Presentation] Dynamic scaling of liquid crystal defects: microscopic and macroscopic views (2021)
  • Author(s): K. A. Takeuchi
  • Organizer: Quantized vortices and nonlinear waves （量子渦と非線形波動）
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Scale invariance of bacterial cell size fluctuations during starvation (2021)
  • Author(s): T. Shimaya, R. Okura, Y. Wakamoto and K. A. Takeuchi
  • Organizer: APS March Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electrokinetic Janus particles: from self-organized flagella to winged pair correlation (2021)
  • Author(s): D. Nishiguchi
  • Organizer: アクティブマター研究会2021
  • Invited
• [Presentation] アクティブマターの集団運動における秩序発現と普遍法則に関する実験 (2021)
  • Author(s): 西口大貴
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
  • Invited
• [Presentation] 低密度アクティブブラウン粒子の pair correlation における双翼状枯渇領域とスケーリング則:理論と電場駆動ヤヌス粒子実験 (2021)
  • Author(s): 西口大貴, A. Poncet, O. Benichou, V. Demery
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] 高密度バクテリア集団のガラス的協同運動 (2021)
  • Author(s): 山本真大, 古田祐二朗, 嶋屋拓朗, 大倉玲子, 若本祐一, 竹内一将
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] 飢餓中におけるバクテリアサイズ揺らぎのスケール不変性 (2021)
  • Author(s): 嶋屋拓朗, 大倉玲子, 若本祐一, 竹内一将
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] Microfluidics for dense bacterial populations unveils scale invariance in starving bacteria (2020)
  • Author(s): K. A. Takeuchi
  • Organizer: 2020 NCTS Complex Systems Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 液晶実験から非平衡厳密解、そして量子多体系へ (2020)
  • Author(s): 竹内一将
  • Organizer: 物理工学の新展開
  • Invited
• [Presentation] バクテリア乱流の境界条件と渦秩序のトポロジカル制御 (2020)
  • Author(s): 西口大貴, H. Reinken, S. Heidenreich, A. Sokolov, M. Bar, S. H. L. Klapp, I. Aranson
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
  • Invited
• [Presentation] 高密度バクテリア集団研究のための広域マイクロ灌流系と、それによる細胞集団の統計物理学・情報物理学実験の試み (2020)
  • Author(s): 竹内一将
  • Organizer: 第58回 日本生物物理学会年会
• [Presentation] 高密度バクテリア集団の統計物理実験 (2020)
  • Author(s): 竹内一将
  • Organizer: 新学術領域研究「生命の情報物理学」 第2回領域会議
• [Presentation] 非運動性大腸菌集団の三次元化とアクティブネマティクス (2020)
  • Author(s): 嶋屋拓朗
  • Organizer: 第19回 関東ソフトマター研究会
• [Presentation] Scale invariance of bacterial body size fluctuation during starvation (2020)
  • Author(s): T.Shimaya, R. Okura, Y. Wakamoto and K. A. Takeuchi
  • Organizer: Workshop on Physics of Soft, Active and Living Matter
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 周期的に駆動されるアクティブコロイドの非平衡ダイナミクス (2020)
  • Author(s): 加藤愛理,竹内一将,佐野雅己
  • Organizer: 日本物理学会 2020 年次大会
• [Presentation] Disclination turbulence - from defect dynamics to macroscopic scaling laws - (2019)
  • Author(s): Kazumasa A. Takeuchi
  • Organizer: 2019 Gordon Conference on Liquid Crystals: Soft Order and Topology Motives in Biomedicine, Nanoscience, Cosmology, Living Matter and Emergent Industries
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] KPZ普遍クラス －厳密解と実験が奏でる非平衡のスケーリング則－ (2019)
  • Author(s): 竹内一将
  • Organizer: 第64回 物性若手夏の学校
  • Invited
• [Presentation] 乱流転移に現れる臨界現象、普遍性 (2019)
  • Author(s): 竹内一将
  • Organizer: 流体若手夏の学校 2019
  • Invited
• [Presentation] マクロ非平衡系の揺らぎと秩序形成 ＆ 生命現象との関わり (2019)
  • Author(s): 竹内一将
  • Organizer: 新学術領域研究 「生命の情報物理学」 第一回領域会議
• [Presentation] Critical coarsening in a model of bacterial competition inside a channel (2019)
  • Author(s): T.Shimaya and K. A. Takeuchi
  • Organizer: StatPhys 27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a new microfluidic device for observing dense bacterial populations in a controlled environment (2019)
  • Author(s): T.Shimaya, R. Okura, Y. Wakamoto and K. A. Takeuchi
  • Organizer: JOINT 12th EBSA congress 10th ICBP - IUPAP congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 眠る大腸菌の過渡ダイナミクス～１細胞形態から集団構造へ～ (2019)
  • Author(s): 嶋屋拓朗,大倉玲子,若本祐一,竹内一将
  • Organizer: 第64回 物性若手夏の学校
• [Presentation] 飢餓状態における大腸菌集団の形態応答 (2019)
  • Author(s): 嶋屋 拓朗,大倉 玲子,若本 祐一,竹内 一将
  • Organizer: 日本物理学会 2019 秋季大会
• [Presentation] Bundle structure and single-cell morphology in E. coli populations during transient to a starvation condition (2019)
  • Author(s): 嶋屋 拓朗,大倉 玲子,若本 祐一,竹内 一将
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 広域マイクロ灌流系でみる細菌のReductive division (2019)
  • Author(s): 嶋屋 拓朗,大倉 玲子,若本 祐一,竹内 一将
  • Organizer: 新学術領域研究「生命の情報物理学」第一回領域会議
• [Presentation] 大腸菌集団のactive jamming / MIPS ? (2019)
  • Author(s): 山本 真大,古田 祐二朗,竹内 一将
  • Organizer: 新学術領域研究「生命の情報物理学」第一回領域会議
• [Remarks] 竹内研究室 研究紹介
  • URL: http://lab.kaztake.org/research-j.html