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非平衡輸送現象と流れの動的結合の解明:分子操作から分子整流へ

研究課題

研究課題/領域番号 17J03913
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 数理物理・物性基礎(実験)
研究機関九州大学

研究代表者

福山 達也  九州大学, 理学府, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2017-04-26 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
2,500千円 (直接経費: 2,500千円)
2019年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2018年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2017年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワード非平衡物理学 / 輸送現象 / 流体力学 / 細胞集団運動 / 非平衡統計力学
研究実績の概要

本研究の目的は温度勾配下における輸送現象から非平衡系における輸送現象の統一的理解である。これまでに温度勾配下において高分子水溶液中で起きる輸送について報告があったが、動く温度勾配下の輸送や流動現象については十分ではなかった。
そこで我々は高分子PEG水溶液中で動く温度勾配を形成し、その動きとは逆向きに流動が生じることを発見した。さらに流速が温度に2次関数的に増加し、周波数に対し共鳴的になる新奇的な性質を見出した。
これらのメカニズム解明のため、理論モデルを構築した。加熱による粘性変化と流体の圧縮が相乗的に流体を駆動することで2次関数的な温度依存性が生じる。さらに壁の粘弾性と高周波数側の温度差の減衰があることで、流速の共鳴的な振舞いが出てくる。この知見をもとに温度勾配が直線上を往復するときの流動と分子輸送を考察した。温度勾配は周期的に往復するが、加熱の周期が空間的に非対称であるため、流動の対称性も破れ内向きの流動が発生する。ここにDNAとPEG高分子があるとき、PEG濃度勾配で起きる拡散泳動によるトラッピングと内向きの流動によってDNAが中心に濃縮される機構を見出した。
驚くことに、上記の流動現象と類似したものが細胞集団運動にも見られる。MDCK上皮細胞はERK分子の化学シグナルを細胞間で伝搬させており、シグナルと逆向きに集団運動する。我々は細胞集団を連続体とみなし、ERKシグナルによって基板への接着・密度が変化することを加味した理論モデルを構築し細胞集団運動のメカニズム解明を行った。集団運動速度もシグナル強度に2次関数的、伝搬速度に対し共鳴的になることがわかった。後者はシグナルのノイズをカットする生物学的に重要な機能に関わるものである。流動現象から細胞集団運動まで共通する数理的構造を見出したことは、外場下の粘弾性体の流動・輸送現象の一般的な理解に貢献するものである。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 2017 実績報告書
  • 研究成果

    (18件)

すべて 2020 2019 2018 2017

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 4件)

  • [雑誌論文] Opto-thermal diffusiophoresis of soft biological matter: from physical principle to molecular manipulation2020

    • 著者名/発表者名
      Tatsuya Fukuyama, Yusuke T. Maeda
    • 雑誌名

      Biophysical Reviews

      巻: - 号: 2 ページ: 309-315

    • DOI

      10.1007/s12551-020-00692-7

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thermal molecular focusing: tunable cross effect of phoresis and light-driven hydrodynamic focusing2018

    • 著者名/発表者名
      Tatsuya Fukuyama, Sho Nakama, Yusuke T. Maeda
    • 雑誌名

      Soft Matter

      巻: 14 号: 26 ページ: 5519-5524

    • DOI

      10.1039/c8sm00754c

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thermal Molecular Focusing: Tunable Cross effect of Phoresis and Light-driven Hydrodynamic Focusing2018

    • 著者名/発表者名
      Tatsuya Fukuyama, Sho Nakama, Yusuke T. Maeda
    • 雑誌名

      Soft Matter

      巻: 査読中

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Continuum mechanical model of ERK wave-driven collective cell migration in wound healing2020

    • 著者名/発表者名
      Tatsuya Fukuyama, Hiroyuki Ebata, Satoru Kidoaki, Yohei Kondo, Kazuhiro Aoki, Yusuke T. Maeda
    • 学会等名
      Physics of Soft, Active and Living Matter
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Continuum mechanical model of ERK wave-driven collective cell migration in wound healing2020

    • 著者名/発表者名
      Tatsuya Fukuyama, Hiroyuki Ebata, Satoru Kidoaki, Yohei Kondo, Kazuhiro Aoki, Yusuke T. Maeda
    • 学会等名
      The 1st International Symposium on Molecular Engine
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 波に駆動される非平衡流れと細胞集団運動への展開2020

    • 著者名/発表者名
      福山達也、江端宏之、木戸秋悟、近藤洋平、青木一洋、前多裕介
    • 学会等名
      2020年日本物理学会年次大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 細胞間シグナルと集団運動を結ぶ連続体力学モデルと実験検証2019

    • 著者名/発表者名
      福山達也、江端宏之、木戸秋悟、近藤洋平、青木一洋、前多裕介
    • 学会等名
      2019年日本物理学会秋季大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Collective Cell Migration Induced by the Interplay of Contractile Force and Adhesion with Delay under ERK Signal Propagation2019

    • 著者名/発表者名
      Tatsuya Fukuyama, Hiroyuki Ebata, Yohei Kondo, Satoru Kidoaki, Kazuhiro Aoki and Yusuke T. Maeda
    • 学会等名
      APS March meeting 2019
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 波を遡る細胞集団の力学モデルと光遺伝学2019

    • 著者名/発表者名
      福山達也、江端宏之、木戸秋悟、青木一洋、前多裕介
    • 学会等名
      日本物理学会年次大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Collective cell migration driven by cell density wave.2018

    • 著者名/発表者名
      Tatsuya Fukuyama, Kazuhiro Aoki and Yusuke T. Maeda
    • 学会等名
      Designer Soft Matter
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] On the relation between mechanics and ERK signaling in collective cell migration.2018

    • 著者名/発表者名
      Tatsuya Fukuyama, Yohei Kondo, Kazuhiro Aoki and Yusuke T. Maeda
    • 学会等名
      The 79th Okazaki conference
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 自発的な集団運動における力学とシグナル伝搬における関係2018

    • 著者名/発表者名
      福山達也、青木一洋、前多裕介
    • 学会等名
      日本物理学会秋季大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] On the relation between mechanics and signaling in collective cell migration2018

    • 著者名/発表者名
      Tatsuya Fukuyama, Kazuhiro Aoki and Yusuke T. Maeda
    • 学会等名
      APEF2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 上皮細胞の集団運動の連続体記述と光制御2018

    • 著者名/発表者名
      福山達也、青木一洋、前多裕介
    • 学会等名
      物理学会第73回年次大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Collective cell migration driven by cell density wave2018

    • 著者名/発表者名
      Tatsuya Fukuyama, Kazuhiro Aoki, Yusuke T. Maeda
    • 学会等名
      Designer Soft Matter 2018
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Dynamic non-equilibrium effect: Cooperative effect by flow and molecule transport2017

    • 著者名/発表者名
      福山達也、前多裕介
    • 学会等名
      ゆらぎと構造の協奏 第4回領域研究会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 動く温度勾配が誘起する流れと分子集束2017

    • 著者名/発表者名
      福山達也、前多裕介
    • 学会等名
      2017年物理学会秋季大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Tunable, Anisotropic Trapping of Molecules: Interplay between Non-Equilibrium Hydrodynamics and Phoretic Transport2017

    • 著者名/発表者名
      Tatsuya Fukuyama, Yusuke T. Maeda
    • 学会等名
      International Symposium Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書

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公開日: 2017-05-25   更新日: 2024-03-26  

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