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環境連成力学を基盤とした微生物行動シミュレータの開発

計画研究

研究領域ジオラマ環境で覚醒する原生知能を定式化する細胞行動力学
研究課題/領域番号 21H05308
研究種目

学術変革領域研究(A)

配分区分補助金
審査区分 学術変革領域研究区分(Ⅳ)
研究機関東北大学

研究代表者

石川 拓司  東北大学, 医工学研究科, 教授 (20313728)

研究分担者 上野 裕則  愛知教育大学, 教育学部, 准教授 (70518240)
西上 幸範  北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (80639021)
研究期間 (年度) 2021-09-10 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2025年度)
配分額 *注記
101,790千円 (直接経費: 78,300千円、間接経費: 23,490千円)
2025年度: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2024年度: 17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円)
2023年度: 17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円)
2022年度: 15,340千円 (直接経費: 11,800千円、間接経費: 3,540千円)
2021年度: 34,840千円 (直接経費: 26,800千円、間接経費: 8,040千円)
キーワード微生物 / 行動力学 / ジオラマ環境 / シミュレーション / 可視化計測
研究開始時の研究の概要

本研究では、環境連成問題を徹底的に力学化して原生知能のアルゴリズムを読み解く。始めに、保存則を学理とした支配方程式を連立して解くことで、ジオラマ環境とパノラマ環境の物理量を詳細に求める。次に、細胞応答の数理モデル化を行い、個々の細胞の行動を計算する。最後に、細胞集団の行動を計算する「微生物行動シミュレータ」を開発する。開発したシミュレータを用い、密度成層内の有害赤潮藻の行動アルゴリズム、蠕動流れ中の腸内細菌の行動アルゴリズム、気液界面の微生物の行動アルゴリズムの3つの重要な生命現象を解明する。領域内の他班から実験データの提供を受け、自身は徹底力学化のインフラ的役割を担う。

研究実績の概要

本年度の主要な研究実績は以下の通りである。
1.繊毛が力を検知する機序を実験と数値シミュレーションによって調べた。開発した繊毛の計算力学モデルを用いることで、膜にかかる張力を定量的に評価した。この成果は、総合誌で世界最高峰のScience誌に掲載された(Katoh et al., Science)。 2.繊毛軸糸の詳細な構造と力学を再現した数理モデルを構築した。ダイニン分子モーターの活性を考慮することで、自律的に鞭毛打を生み出す機構を解明した。この成果は、生物物理学で定評のあるPhysical Review E誌に掲載された(Omori et al., Phys. Rev. E)。 3.ジオラマ行動力学の概念は、国際的にはまだ知れ渡っていない。この現状を克服するため、生物物理学で定評のあるBiophysical Journal誌において、ジオラマ環境の概念と行動力学の重要性について解説した(Ishikawa, Biophys. J.)。 4.多数の遊泳微生物の挙動を解析できるシミュレータを開発した。遊泳モードの異なる微生物のジェット流の挙動を調べたところ、プッシャー型とプラー型の両方とも不安定な挙動を示した。この成果は流体力学で定評のあるPhysical Review Fluids誌に発表された(Ishikawa et al., Phys. Rev. Fluids.)。 5.アメーバ運動を精度良く計測できる光学系を構築し、細胞膜の流動を計測することで、壁面上を前進するアメーバの力学モデルを構築した(Taniguchi et al., Biol. Open)。 6.ラッパムシが固着する際の周囲壁面の幾何学的な影響を調べた。その結果、ラッパムシが狭い場所を優位に選択して固着していることを発見した(Echigoya et al., Front. Cell Dev. Biol.)。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本年度は、鞭毛が力を感知する機序を解明した研究成果が総合誌で世界最高峰のScience誌に掲載された(Katoh et al., Science, 2023)。この成果は、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FWCIは47、Altmetricsは200と高く、Top 1%論文にカウントされている(Scopus調べ)。
採択後からこれまでに15編の査読付き雑誌論文と、27編の国際会議論文を発表しており、研究成果が勢いよく上がっていることから、当初の計画以上に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

2023年度は、微生物行動シミュレータの開発、個々の微生物行動の数理モデル化、微生物間の相互作用の数理モデル化と集団挙動の解析を行う。また、さまざまなジオラマ環境下における微生物行動を可視化計測し、新規行動アルゴリズムを探索する。
以下に具体的な計画を列挙する。
1)柴班や篠原班の実験で観察された精子の遊泳を3次元で再現できる微生物行動シミュレータを開発する。そして、背景流れや壁面境界、濃度勾配などの物理環境下における精子の行動を解明する。 2)中垣班が発見した「ラッパムシが狭い隙間を好んで付着する現象」に着目し、その行動アルゴリズムを議論する。狭い空間でラッパムシが作り出す流れを解析することで、ラッパムシが周囲の空間情報を認知する機序と、狭い領域に棲むことの利点を考察する。 3)紫加田班と共同して有害赤潮藻の挙動をマクロスケールで計測する。背景流れと光刺激が挙動に与える影響を体系的に整理し、それを再現できる微生物行動シミュレータを開発する。 4)繊毛が物理環境を感知するセンサーとして働く機構を調べるために、繊毛の計算力学モデルを構築する。そして、繊毛の屈曲や膜応力を解析し、力学検知のアルゴリズムを明らかにする。 5)微生物が凝集した環境下でどのように物質を輸送し、生命を維持しているのかを調べるためのシミュレータを開発する。それを用いたパラメトリックスタディを行い、その知見をより一般化するためのスケーリング解析も行う。 6)進化生物学のモデル生物であるボルボックス目に着目し、多細胞化することで得た高度なナビゲーションアルゴリズムを、バイオメカニクスの視点から明らかにする。 7)アメーバの細胞膜にマーカーを入れ込むことで、アメーバ運動時の内部および細胞膜の流動様式を可視化計測する。そして、仮足を伸ばして進行する行動力学を明らかにする。

報告書

(2件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (47件)

すべて 2023 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (15件) (うち国際共著 4件、 査読あり 15件、 オープンアクセス 9件) 学会発表 (27件) (うち国際学会 26件、 招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] University of Cambridge(英国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] University of Melbourne(オーストラリア)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] University of Cambridge(英国)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] University of Melbourne(オーストラリア)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] Immotile cilia mechanically sense the direction of fluid flow for left-right determination2023

    • 著者名/発表者名
      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
    • 雑誌名

      Science

      巻: 379 号: 6627 ページ: 66-71

    • DOI

      10.1126/science.abq8148

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Light-sheet microscopy reveals dorsoventral asymmetric membrane dynamics of<i>Amoeba proteus</i>during pressure-driven locomotion2023

    • 著者名/発表者名
      Taniguchi Atsushi、Nishigami Yukinori、Kajiura-Kobayashi Hiroko、Takao Daisuke、Tamaoki Daisuke、Nakagaki Toshiyuki、Nonaka Shigenori、Sonobe Seiji
    • 雑誌名

      Biology Open

      巻: 12 号: 2

    • DOI

      10.1242/bio.059671

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Soft Microswimmer Powered by Fluid Oscillation2022

    • 著者名/発表者名
      Ishikawa Takuji、Morita Takeru、Omori Toshihiro
    • 雑誌名

      Journal of Robotics and Mechatronics

      巻: 34 号: 2 ページ: 298-300

    • DOI

      10.20965/jrm.2022.p0298

    • ISSN
      0915-3942, 1883-8049
    • 年月日
      2022-04-20
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Instability of an active fluid jet2022

    • 著者名/発表者名
      Ishikawa Takuji、Dang Thanh-Nghi、Lauga Eric
    • 雑誌名

      Physical Review Fluids

      巻: 7 号: 9 ページ: 013104-013104

    • DOI

      10.1103/physrevfluids.7.093102

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Reciprocating intestinal flows enhance glucose uptake in C. elegans2022

    • 著者名/発表者名
      Yuki Suzuki, Kenji Kikuchi, Keiko Numayama-Tsuruta, Takuji Ishikawa
    • 雑誌名

      Scientific reports

      巻: 12 号: 1 ページ: 15310-15310

    • DOI

      10.1038/s41598-022-18968-1

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Self-sustaining oscillation of two axonemal microtubules based on a stochastic bonding model between microtubules and dynein2022

    • 著者名/発表者名
      Omori T.、Munakata S.、Ishikawa T.
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 106 号: 1 ページ: 014402-014402

    • DOI

      10.1103/physreve.106.014402

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Bacterial behaviors in confined diorama environments2022

    • 著者名/発表者名
      Ishikawa Takuji
    • 雑誌名

      Biophysical Journal

      巻: 121 号: 13 ページ: 2487-2489

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2022.05.045

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Influence of Respiratory Gas Density on Tidal Volume during Mechanical Ventilation: A Laboratory Investigation and Observational Study in Children2022

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Kazuhiro、Toyama Hiroaki、Funahashi Yutaro、Kawana Shin、Ejima Yutaka、Kikuchi Kenji、Ishikawa Takuji、Yamauchi Masanori
    • 雑誌名

      The Tohoku Journal of Experimental Medicine

      巻: 256 号: 4 ページ: 271-281

    • DOI

      10.1620/tjem.2022.J003

    • ISSN
      0040-8727, 1349-3329
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Switching of behavioral modes and their modulation by a geometrical cue in the ciliate Stentor coeruleus2022

    • 著者名/発表者名
      Echigoya Syun、Sato Katsuhiko、Kishida Osamu、Nakagaki Toshiyuki、Nishigami Yukinori
    • 雑誌名

      Frontiers in Cell and Developmental Biology

      巻: 10 ページ: 1021469-1021469

    • DOI

      10.3389/fcell.2022.1021469

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Simple dynamics underlying the survival behaviors of ciliates2022

    • 著者名/発表者名
      Takuya Ohmura, Yukinori Nishigami, Masatoshi Ichikawa
    • 雑誌名

      Biophysics and Physicobiology

      巻: 19 号: 0 ページ: n/a

    • DOI

      10.2142/biophysico.bppb-v19.0026

    • ISSN
      2189-4779
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Rheotaxis and migration of an unsteady microswimmer2022

    • 著者名/発表者名
      T. Omori, K. Kikuchi, M. Schmitz, M. Pavlovic, C.-H. Chuang, T. Ishikawa
    • 雑誌名

      Journal of Fluid Mechanics

      巻: 930

    • DOI

      10.1017/jfm.2021.921

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Lubrication theory and boundary element hybrid method for calculating hydrodynamic forces between particles in near contact2022

    • 著者名/発表者名
      Ishikawa Takuji
    • 雑誌名

      Journal of Computational Physics

      巻: 452 ページ: 110913-110913

    • DOI

      10.1016/j.jcp.2021.110913

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Pairwise scattering and bound states of spherical microorganisms2022

    • 著者名/発表者名
      Darveniza C.、Ishikawa T.、Pedley T. J.、Brumley D. R.
    • 雑誌名

      Physical Review Fluids

      巻: 7 号: 1 ページ: 013104-013104

    • DOI

      10.1103/physrevfluids.7.013104

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Impact of rheological properties on bacterial streamer formation2021

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Kitamura, Toshihiro Omori, Takuji Ishikawa
    • 雑誌名

      Journal of the Royal Society Interface

      巻: 18 号: 183 ページ: 20210546-20210546

    • DOI

      10.1098/rsif.2021.0546

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Microbial Brazil nut effect2021

    • 著者名/発表者名
      Srivastava Atul、Kikuchi Kenji、Ishikawa Takuji
    • 雑誌名

      Soft Matter

      巻: 17 号: 46 ページ: 10428-10436

    • DOI

      10.1039/d1sm01327k

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Bubble lnduced Transport Phenomena in Yeast Fermentation2022

    • 著者名/発表者名
      Takuji Ishikawa, Atul Srivastava, Kenji Kikuchi
    • 学会等名
      9th World Congress of Biomechanics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Dynamic simulation of a 3D sperm suspension2022

    • 著者名/発表者名
      Nanami Taketoshi,Toshihiro Omori,Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      9th World Congress of Biomechanics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Computational Biomechanics of the Sponge's Choanocyte Chamber2022

    • 著者名/発表者名
      Takumi Ogawa,Toshihiro Omori,Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      9th World Congress of Biomechanics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Microstructure of a Suspension of Soft Microswimmers2022

    • 著者名/発表者名
      Kiyoto Kubo,Toshihiro Omori,Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      9th World Congress of Biomechanics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Mass transport in induced by a packed lattice of squirmers2022

    • 著者名/発表者名
      Yu Kogure,Toshihiro Omori,Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      9th World Congress of Biomechanics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Bubble Structure in proofing Dough visualized by X-ray Microtomography2022

    • 著者名/発表者名
      Kyosuke Kimura, Kenji Kikuchi, Keiko Numayama, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      9th World Congress of Biomechanics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Microbial transport of E.coli in the gut of a zebrafish larva,9th World Congress of Biomechanics,O-21086,20222022

    • 著者名/発表者名
      Yuta Kikunaga,Kenji Kikuchi, Keiko Numayama-Tsuruta, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      9th World Congress of Biomechanics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Transport of liposome in zebrafish larvae intestine2022

    • 著者名/発表者名
      Jiawei Huang,Kenji Kikuchi, Keiko Numayama-Tsuruta, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      9th World Congress of Biomechanics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Sustainable filter feeding and self-cleaning on a fresh-water sponge2022

    • 著者名/発表者名
      Kei Kawashima, Kenji Kikuchi, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      9th World Congress of Biomechanics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] MODELING SPERM SUSPENSION IN THREE DIMENSIONS2022

    • 著者名/発表者名
      Nanami Taketoshi, Toshihiro Omori and Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      PSFVIP13
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] COMPUTATIONAL MODELING OF THE SPONGE'S CHOANOCYTE CHAMBER2022

    • 著者名/発表者名
      Takumi Ogawa,Toshihiro Omori,Kenji Kikuchi and Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      PSFVIP13
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] VISUALIZATION OF A FRESHWATER-SPONGE SNEEZING2022

    • 著者名/発表者名
      Kei Kawashima, Kenji Kikuchi and Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      PSFVIP13
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] VISUALIZATION OF FLOW FIELD INDUCED BY HYDRODYNAMIC INTERACTIONS OF SWIMMING MICROORGANISM2022

    • 著者名/発表者名
      Kiyoto Kubo, Toshihiro Omori and Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      PSFVIP13
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] SIMULATION OF A PACKED SUSPENSION OF MICROSWIMMERS2022

    • 著者名/発表者名
      Yu Kogure,Toshihiro Omori and Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      PSFVIP13
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Visualization of Bubble Dynamics inside the Proofing Bread Dough using X-ray Microtomography2022

    • 著者名/発表者名
      Kyosuke Kimura, Kenji Kikuchi, Keiko Numayama, Takuji Ishikawa and Taimei Miyagawa
    • 学会等名
      PSFVIP13
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Visualization of microbial transport in the gut of a zebrafish larva2022

    • 著者名/発表者名
      Yuta Kikunaga, Kenji Kikuchi, Keiko Numayama-Tsuruta and Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      PSFVIP13
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Modeling of Internal Driving Force During Sperm Hyperactivation2022

    • 著者名/発表者名
      S.Kamijo, T.Omori, T.Ishikawa
    • 学会等名
      ICFD2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Flying Yeast:Aerosol Particles Released during the Fermentation2022

    • 著者名/発表者名
      R.Onishi, K.kikuchi, T.Ishikawa
    • 学会等名
      ICFD2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Flow Promoted by Locomotions in C. elegans2022

    • 著者名/発表者名
      Y.Asoshina, K.kikuchi, T.Ishikawa
    • 学会等名
      ICFD2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Pumping Efficiency of Spongillidae's Choanocyte Chamber2022

    • 著者名/発表者名
      Takumi Ogawa,Toshihiro Omori,Kenji Kikuchi and Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      ISABMEC2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Behavior of the ciliate Tetrahymena in response to the extracellular environment2022

    • 著者名/発表者名
      Yukinori Nishigami
    • 学会等名
      The 23rd RIES-HOKUDAI International Symposium
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 微生物の走性・行動の力学モデル2022

    • 著者名/発表者名
      石川拓司
    • 学会等名
      「ジオラマ環境で覚醒する原生知能を定式化する細胞行動力学」シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Dynamics of a swimming microorganism suspension2021

    • 著者名/発表者名
      Kiyoto Kubo, Toshihiro Omori, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      The 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical simulation of the sponge's choanocyte chamber2021

    • 著者名/発表者名
      Takumi Ogawa, Toshihiro Omori, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      The 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Instantaneous puncture for accurate needle insertion in percutaneous intervention2021

    • 著者名/発表者名
      Kojiro Sugiyama, Kenji Kikuchi, Tomomi Sato, Sota Oguro, Satoru Yanagaki, Kei Takase, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      The 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical analysis of collective swimming of sperm in three dimensions2021

    • 著者名/発表者名
      Nanami TAKETOSHI, Toshihiro OMORI, Takuji ISHIKAWA
    • 学会等名
      The 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Mass transport in an aggregation of swimming microorganisms2021

    • 著者名/発表者名
      Yu Kogure, Toshihiro Omori, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      The 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [備考] Biological Flow Studies Laboratory

    • URL

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

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書

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公開日: 2021-10-22   更新日: 2025-06-20  

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