| 研究課題/領域番号 |
20H01872
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分13040:生物物理、化学物理およびソフトマターの物理関連
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
前多 裕介 九州大学, 理学研究院, 准教授 (30557210)
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| 研究分担者 |
宮崎 牧人 京都大学, 白眉センター, 特定准教授 (40609236)
島本 勇太 国立遺伝学研究所, 遺伝メカニズム研究系, 准教授 (80409656)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円)
2022年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2021年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2020年度: 9,750千円 (直接経費: 7,500千円、間接経費: 2,250千円)
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| キーワード | アクティブマター / 集団運動 / 非平衡物理学 / 秩序形成 / バクテリア / 分子モーター / マイクロ流体デバイス / 上皮細胞 / 非平衡統計力学 / キラリティー / 乱流 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
鳥や魚, 細胞のように自律的に動く粒子（アクティブマター）は，群れや渦などの秩序だった集団運動を示す新たな非平衡系である．アクティブマターの非対称性（キラリティー）は秩序形成やエネルギー輸送に重要であるが，その詳細は明らかでない．本研究では(1)遊泳バクテリアと微小管キネシンが示すキラルな渦形成を解析し，(2)自律運動とキラリティーの相関が大域的な秩序を安定化するメカニズムを解明する．(3)次に，多数のキラル渦が融合する乱流ダイナミクスを解析し，ミクロとマクロのエネルギー輸送の普遍法則を明らかにする．(4)更に，渦の幾何学で乱流を操り物質撹拌を行う機能的デバイスを開発する．
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| 研究成果の概要 |
遊泳バクテリアのように自ら動く物体の集団（アクティブマター）は、相互作用を介して群れなどの秩序形成を示す。本研究は、運動の左右対称性が破れたキラルアクティブマターの秩序形成を明らかにし、その集団運動の制御法の開発を目的とする。高密度な遊泳バクテリア集団をマイクロウェルに封じ込めたところ，境界に沿う遊泳のキラリティーを反映した反時計回りのキラル秩序渦が現れることを発見した。さらに、相互作用するキラル渦ペアでは、秩序形成のパターンをキラリティーと配向相互作用の強度比で制御できることを明らかにした。この結果は、群れとなり巨大な流れを安定化するため、運動のキラリティーが重要であることを示すものである。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
本研究で得た知見は、遊泳バクテリアに限らず、分子モーターに駆動される細胞骨格集団にまで広がる包括性を持つ。渦の幾何学は物質の詳細によらない不変量の抽出を可能にするものであり、広くアクティブマターの集団運動を制御する原理につながると考えられる。将来的には、生体組織の集団運動をアクティブマターの幾何的ルールから理解し制御する研究へと発展することが想定され、生物の動的な発生現象を非平衡物理学から理解する新たな学術領域の創出につながる。さらに、キラル集団運動の理解をもとに、水中を泳ぐマイクロロボットによる複雑な流れの制御や、運動のキラリティーで物質輸送を制御するデバイス設計への応用が期待できる。
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