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 2023)
• Budget Amount: ¥92,040,000 (Direct Cost: ¥70,800,000、Indirect Cost: ¥21,240,000); Fiscal Year 2023: ¥14,950,000 (Direct Cost: ¥11,500,000、Indirect Cost: ¥3,450,000); 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

本年度も引き続き、高密度細菌集団のモデル実験系の研究、特に(i)高密度細菌集団の非平衡相の研究と(ii)高密度細菌集団の支配因子の探求を行い、細菌集団の情報物理学の基盤づくりを推進した。
本年度はまず、高密度細菌集団を均一環境で長時間培養し、観察可能な独自の微小流体デバイス「広域マイクロ灌流系」の開発を完了し、論文発表を行った。論文では、本デバイスにより発見した、大腸菌集団の飢餓過程における細胞サイズゆらぎのスケール不変性について詳細に報告した。本成果は、変動する環境下で細菌集団が示す統計的性質の頑健さを示すものであり、細胞集団の情報物理学推進のうえで重要な成果と考えている。
(i)「高密度細菌集団の非平衡相の研究」については、広域マイクロ灌流系を用い、運動性の大腸菌集団の高密度化に伴うガラス化について詳細な研究を実施した。結果、大腸菌集団のガラス転移現象や配向ガラス状態を発見し、各相や転移の特徴を明らかにしたほか、配向秩序に関するドメイン構造の発達も見出した。本成果は、細菌集団の非平衡熱力学的特徴を理解するうえで重要な結果である。
(ii)「高密度細菌集団の支配因子の探求」については、非運動性の大腸菌集団において、コロニーの３次元構造とトポロジカル欠陥の関係を調査し、最下層で欠陥が生じている箇所ではコロニー局所高さが有意に高いという相関を見出した。そこで欠陥と細胞流の関係を調査し、従来は細胞流出を促すとされていた種類の欠陥においても細胞流入を見出したほか、それが欠陥周りの細胞の３次元的傾きによって説明できることを発見した。本成果は、トポロジカル欠陥という少数の点が、細胞集団の流動や３次元構造形成を左右することを示しており、アクティブマター物理学や細胞集団の情報物理学の観点からも重要な成果と考えている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は、高密度大腸菌集団のガラス転移について研究が大きく進展し、当初想定していなかった配向ガラス状態の発見や相図作成、各相や転移の特徴を明らかにすることができた。また、ガラス転移点付近の高密度状態では、配向秩序に関するドメイン構造が発達し、非運動性の細菌集団に関する先行研究で論じられてきたドメイン構造と関係する可能性が見出された。さらに、細菌集団の３次元構造とトポロジカル欠陥の関係についても、トポロジカル欠陥と細胞集団の流動の関係について従来知見と異なる新奇な結果が得られたほか、欠陥周りの細菌の３次元的傾きが極性秩序を生み出すこと、それが極性由来の力を生み出し、我々の観察結果を説明するという想定外の成果が得られた。以上の、想定以上の研究成果の確立に注力するため、相分離様現象に関する研究や光トラップ系の実験については当初計画より規模を縮小して取り組んだ。総合して、「おおむね順調に進展している」と考えている。

Strategy for Future Research Activity

昨年度までの我々の研究により、運動性の高密度大腸菌集団は、実験条件によってガラス転移と相分離様状態の２種類の高密度過程を示すことが明らかとなっている。当該年度の成果により、ガラス転移の場合の統計的理解が進んだので、それを踏まえて相分離様状態の実験や解析を再度行い、こちらの転移についても統計的に特徴づける。以上の取り組みにより、運動性の高密度大腸菌集団における非平衡相について、熱統計力学的な理解の確立を目指す。
光トラップ系については、当該年度に、大腸菌集団を対象とした長時間のタイムラプス計測ができるよう実験系を改良した。そこで今後は、この系を用いて、菌の捕捉の強さや遊泳状態への影響を評価する。そして、ガラス転移や相分離様状態の出現に近い高密度細菌集団に対して菌体トラップをすることにより、ガラス状態や相分離状態の核生成を試み、それによって準安定状態も含めた相図の作成を目指す。
高密度細菌集団の支配因子の探求については、当該年度の研究によって、トポロジカル欠陥と細菌集団構造の関係を見出すことができた。今後は、トポロジカル欠陥が細菌の発現状態に及ぼす影響の調査を行い、メカノトランスダクションなど、生物学的な仕組みの理解を試みる。また、二種類の細菌集団の競合過程への配向秩序やトポロジカル欠陥の寄与を調査するとともに、二種菌集団のアスペクト比などの特徴の違いがもつ効果についても研究を行う。このような取り組みを通して、高密度細菌集団という非平衡大自由度系のマクロダイナミクスがトポロジカル欠陥などの少数因子で支配される可能性を検討してゆく。そのような因子の観測と制御によって、細胞集団の情報物理学的な取り扱いの道が開けていくものと考えている。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Technische Universitat Berlin/Physikalisch-Technische Bundesanstalt(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Technische Universitat Berlin/Physikalisch-Technische Bundesanstalt
• [Int'l Joint Research] Argonne National Laboratory/Pennsylvania State University(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Argonne National Laboratory/Pennsylvania State University
• [Int'l Joint Research] Warwick University(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: Warwick University
• [Int'l Joint Research] Shanghai Jiao Tong University(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: Shanghai Jiao Tong University
• [Int'l Joint Research] ENS-Paris/Sorbonne Universite/ESPCI Paris(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: ENS-Paris/Sorbonne Universite/ESPCI Paris
  • # of Other Institutions: 3
• [Int'l Joint Research] Warwick University(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: Warwick University
• [Int'l Joint Research] Niels Bohr Institute(デンマーク)
  • Country Name: DENMARK
  • Counterpart Institution: Niels Bohr Institute
• [Int'l Joint Research] Technische Universitat Berlin/Physikalisch-Technische Bundesanstalt(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Technische Universitat Berlin/Physikalisch-Technische Bundesanstalt
• [Int'l Joint Research] Argonne National Laboratory/Pennsylvania State University(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Argonne National Laboratory/Pennsylvania State University
• [Int'l Joint Research]
  • # of Other Countries: 2
• [Int'l Joint Research] Warwick University(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: Warwick University
• [Int'l Joint Research] ENS Paris/College de France(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: ENS Paris/College de France
• [Int'l Joint Research] 上海交通大学(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: 上海交通大学
• [Int'l Joint Research] Niels Bohr Institute(デンマーク)
  • Country Name: DENMARK
  • Counterpart Institution: Niels Bohr Institute
• [Int'l Joint Research] Technische Universitat Munchen(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Technische Universitat Munchen
• [Int'l Joint Research]
  • # of Other Countries: 1
• [Journal Article] Phase-ordering kinetics in the Allen-Cahn (Model A) class: Universal aspects elucidated by electrically induced transition in liquid crystals (2021)
  • Author(s): Almeida Renan A. L.、Takeuchi Kazumasa A.
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 104 Pages: 054103
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.104.054103
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Initial perturbation matters: Implications of geometry-dependent universal Kardar?Parisi?Zhang statistics for spatiotemporal chaos (2021)
  • Author(s): Fukai Yohsuke T.、Takeuchi Kazumasa A.
  • Journal Title: Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science Volume: 31 Pages: 111103
  • DOI: 10.1063/5.0071658
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Scale invariance of cell size fluctuations in starving bacteria (2021)
  • Author(s): Shimaya Takuro、Okura Reiko、Wakamoto Yuichi、Takeuchi Kazumasa A.
  • Journal Title: Communications Physics Volume: 4 Pages: 238
  • DOI: 10.1038/s42005-021-00739-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Algebraic correlations and anomalous fluctuations in ordered flocks of Janus particles fueled by an AC electric field (2021)
  • Author(s): Iwasawa Junichiro、Nishiguchi Daiki、Sano Masaki
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 3 Pages: 043104
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.3.043104
  • Peer Reviewed / Open Access / 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): Poncet Alexis、Benichou Olivier、Demery Vincent、Nishiguchi Daiki
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 103 Pages: 012605/1-13
  • 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): Reinken Henning、Nishiguchi Daiki、Heidenreich Sebastian、Sokolov Andrey、Bar Markus、Klapp Sabine H. L.、Aranson Igor S.
  • Journal Title: Communications Physics Volume: 3 Pages: 76/1-9
  • 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 Pages: 250602/1-6
  • 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: 060601/1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.060601
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 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 Pages: 081205/1-19
  • DOI: 10.14989/245743
  • Open Access
• [Presentation] Initial condition dependence of KPZ universality: from soft matter experiments to quantum spin chains (2022)
  • Author(s): K. A. Takeuchi
  • Organizer: APS March Meeting 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 3D-induced polar order & topological defects in growing bacterial populations (2022)
  • Author(s): K. A. Takeuchi and T. Shimaya
  • Organizer: APS March Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高密度バクテリア集団のガラス転移 (2022)
  • Author(s): 竹内一将
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会
  • Invited
• [Presentation] 三次元的に成長する大腸菌集団中のトポロジカル欠陥と極性秩序 (2022)
  • Author(s): 嶋屋拓朗, 竹内一将
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会
• [Presentation] Universality and Initial-Shape Dependence of Perturbation Dynamics in Spatiotemptalk Chaos (2021)
  • Author(s): K. A. Takeuchi and Y. T. Fukai
  • Organizer: SIAM Conference on Applications of Dynamical Systems (DS21)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Universal Kardar-Parisi-Zhang statistics explored in liquid crystal turbulence (2021)
  • Author(s): K. A. Takeuchi
  • Organizer: Autumn Meeting of the Brazilian Physics Society 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 3D-induced polar order and topological defects in growing bacterial populations (2021)
  • Author(s): K. A. Takeuchi
  • Organizer: 2021 The Korean Physical Society Fall Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Novel boundary conditions and topology-induced vortex order of bacterial turbulence (2021)
  • Author(s): D. Nishiguchi, A. Sokolov, H. Reinken, S. Heidenreich, M. Bar, S. H. L. Klapp and I. S. Aranson
  • Organizer: Biofluid Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Topological defects and verticalization-induced polar order in non-motile bacterial colonies (2021)
  • Author(s): T. Shimaya
  • Organizer: Biofluid Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 非平衡液晶としてのバクテリア集団とそのトポロジカル欠陥 (2021)
  • Author(s): 竹内一将
  • Organizer: さきがけ「トポロジー」領域 第5回領域全体会議
• [Presentation] 大腸菌集団の競合における菌形状と壁間の相互作用の効果 (2021)
  • Author(s): 一井俊介, 嶋屋拓朗, 竹内一将
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] 飢餓による大腸菌の浮遊凝集集団のスメクチック化 (2021)
  • Author(s): 嶋屋拓朗, 竹内一将
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] 擬2次元での遊泳バクテリアと柱の相互作用：トラップ能率の増大と曲率依存性 (2021)
  • Author(s): 高羽悠樹, 西口大貴
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] アクティブ乱流の３次元構造と制御方法の開拓 (2021)
  • Author(s): 西口大貴
  • Organizer: JSTさきがけ「複雑流動」領域キックオフミーティング
• [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 ウェブサイト
  • URL: https://lab.kaztake.org/index-j.html
• [Remarks] 竹内研究室 研究紹介
  • URL: http://lab.kaztake.org/research-j.html