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バクテリア集団運動にみるアクティブ液晶の秩序形成と制御

公募研究

研究領域ゆらぎと構造の協奏:非平衡系における普遍法則の確立
研究課題/領域番号 16H00805
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関九州大学

研究代表者

前多 裕介  九州大学, 理学研究院, 准教授 (30557210)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2018-03-31
研究課題ステータス 完了 (2017年度)
配分額 *注記
5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円)
2017年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2016年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
キーワードアクティブマター / バクテリア / 集団運動 / 微細加工技術 / 非平衡系の物理 / マイクロ流体デバイス / 位相欠陥 / マイクロフルイディクス / パターン形成 / 非平衡物理学 / 相転移現象 / 秩序形成
研究実績の概要

自律的に動く粒子群をアクティブマターとよび、粒子間の配向相互作用に由来する集団運動が生じる特徴を持つ。代表的なアクティブマターであるバクテリアにおいて、幾何的制約下では渦同士の回転軸が平行の強磁性体的な渦(Ferro-magnetic vortices, FMV)と反平行の反強磁性体的な渦(Anti-ferromagnetic vortices, AFMV) の二つの集団的回転モードが出現する。本研究ではバクテリア大腸菌(E. coli)の直進性変異体RP4979を用い、微細加工したPolydimethyl siloxaneチャンバーにバクテリア懸濁液を高密度に封入する手法を確立した。半径Rの2つの円が中心間距離をΔだけ隔てた形状のピーナッツ型境界において、2つの渦を一定の相互作用距離で拘束するようにバクテリアを封入すると、2つの渦が対をなした「渦ペア」が出現した。渦ペアには、同じ向きの強磁性ペアFMVと反対向きの反強磁性ペアAFMVがあり、その転移は幾何パラメータの比Δ/R=1.4を境にして起こることがわかった。バクテリア極性的な配向相互作用をする自己駆動粒子とみなし、さらに境界とNematic相互作用をすると考えたVicsekモデルを平均場近似の下で解くと、Δ/R=1.4で2つのパターンが等確率で出現し、その前後でパターンが変化することがわかった。バクテリア集団運動には一定のサイズをもつ渦としての性質が潜んでおり、渦同士の相互作用に関する幾何法則が巨視的なパターンを支配することを明らかにした。さらに、3つの渦が相互作用するフラストレーションがある系においてFMVおよびAFMVの転移点を詳細に解析した。3つの渦では転移点がΔ/R=1.4ではなくΔ/R=1.7の近傍にシフトすることを実験から突き止め、集団運動を相互作用する渦として捉える幾何学的性質を明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

29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

29年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2017 実績報告書
  • 2016 実績報告書
  • 研究成果

    (26件)

すべて 2018 2017 2016 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (21件) (うち国際学会 2件、 招待講演 2件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Geometry-driven collective ordering of bacterial vortices2017

    • 著者名/発表者名
      Kazusa Beppu, Ziane Izri, Jun Gohya, Kanta Eto, Masatoshi Ichikawa and Yusuke T. Maeda,
    • 雑誌名

      Soft Matter

      巻: 13 号: 29 ページ: 5038-5043

    • DOI

      10.1039/c7sm00999b

    • NAID

      130007510014

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 界面駆動の流動と輸送:生命を捉える非平衡力学2017

    • 著者名/発表者名
      前多裕介
    • 雑誌名

      物性研究

      巻: 6 ページ: 064226-064226

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [雑誌論文] 温度勾配・濃度勾配の共存下での生体高分子の非平衡輸送現象2016

    • 著者名/発表者名
      前多裕介, 福山達也
    • 雑誌名

      日本物理学会誌

      巻: 71 ページ: 746-751

    • NAID

      130005901245

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 集団運動におけるフラストレートされた渦運動とその制御2018

    • 著者名/発表者名
      別府航早, Ziane Izri, 前多裕介
    • 学会等名
      日本物理学会第73回年次大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 境界形状が誘起するアクトミオシンの周期的な収縮現象と対称性の破れ2018

    • 著者名/発表者名
      坂本遼太, 前多裕介, 田邉優敏, 石渡信一, 宮崎牧人
    • 学会等名
      日本物理学会第73回年次大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 表面を介したセルフリー遺伝子発現の幾何的制御2018

    • 著者名/発表者名
      坂本遼太, Vincent Noireaux, 前多裕介
    • 学会等名
      日本物理学会第73回年次大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 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
      日本物理学会第73回年次大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 境界形状に誘起されるバクテリア集団運動の秩序とその制御2017

    • 著者名/発表者名
      別府航早、合屋純、Ziane Izri、前多裕介
    • 学会等名
      日本物理学会第72回年次大会
    • 発表場所
      大阪大学
    • 年月日
      2017-03-17
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 動的非平衡クロス効果:動く温度勾配下の流れと分子操作2017

    • 著者名/発表者名
      福山達也、前多裕介
    • 学会等名
      日本物理学会第72回年次大会
    • 発表場所
      金沢大学
    • 年月日
      2017-03-17
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 境界形状に誘起されるバクテリア渦運動2017

    • 著者名/発表者名
      合屋純、別府航早、衛藤貫太、Ziane Izri、市川正敏、前多裕介
    • 学会等名
      アクティブマター研究会2017
    • 発表場所
      九州大学
    • 年月日
      2017-01-20
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 境界形状が導くバクテリア渦形成の集団的秩序2017

    • 著者名/発表者名
      別府航早, Ziane Izri, 市川正敏, 前多裕介
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会
    • 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
      日本物理学会2017年秋季大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Collective ordering of active fluids and active gels2017

    • 著者名/発表者名
      前多裕介
    • 学会等名
      研究会:アクティブマターの概念で繋ぐ生命機能の階層性
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Geometric principle for controllig active bacterial vortices2017

    • 著者名/発表者名
      別府航早, Ziane Izri, 市川正敏, 前多裕介
    • 学会等名
      細胞を創る研究会10.0
    • 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 Transports2017

    • 著者名/発表者名
      福山達也, 前多裕介
    • 学会等名
      International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Geometry-Driven Collective Ordering of Bacterial Vortices2017

    • 著者名/発表者名
      別府航早, Ziane Izri, 市川正敏, 前多裕介
    • 学会等名
      International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Symmetry Breaking of Cluster Positioning Induced by F-Actin Flow inside Controlled Geometry2017

    • 著者名/発表者名
      坂本遼太, 前多裕介, 田邉優敏, 石渡信一, 宮崎牧人
    • 学会等名
      International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Geometric Transition of Collective Active Vortices: Mean-Field Analysis and Numerical Simulation2017

    • 著者名/発表者名
      別府航早, 合屋純, 前多裕介
    • 学会等名
      International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Hydrodynamics and enzymatic reaction in moving thermal gradients2016

    • 著者名/発表者名
      Yusuke T. Maeda and Tatsuya Fukuyama
    • 学会等名
      International Workshop on Hydrodynamic Flows in/of Cells
    • 発表場所
      Tokyo Metropolitan University
    • 年月日
      2016-11-24
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Geometry and boundary control of collective motion in bacteria suspensions2016

    • 著者名/発表者名
      Yusuke T. Maeda
    • 学会等名
      Current and Future Perspectives in Active Matter
    • 発表場所
      The University of Tokyo
    • 年月日
      2016-10-28
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 境界形状が誘起するバクテリア集団運動の秩序とその制御2016

    • 著者名/発表者名
      衛藤貫太、樋口福永、市川正敏、前多裕介
    • 学会等名
      日本物理学会2016年秋季大会
    • 発表場所
      金沢大学
    • 年月日
      2016-09-13
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 動的な温度勾配・濃度勾配下における非平衡クロス効果の理論解析2016

    • 著者名/発表者名
      福山達也、前多裕介
    • 学会等名
      日本物理学会2016年秋季大会
    • 発表場所
      金沢大学
    • 年月日
      2016-09-13
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 境界形状に誘起されるバクテリア集団運動と位相欠陥2016

    • 著者名/発表者名
      別府航早、合屋純、前多裕介
    • 学会等名
      日本物理学会2016年度九州支部例会
    • 発表場所
      福岡大学
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 自己駆動ロッドモデルにおける渦形成2016

    • 著者名/発表者名
      合屋純、別府航早、前多裕介
    • 学会等名
      日本物理学会2016年度九州支部例会
    • 発表場所
      福岡大学
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [備考] 物質と生命の普遍法則を求めて:群れるバクテリアが示した1つの数式

    • URL

      https://www.sci.kyushu-u.ac.jp/koho/qrinews/qrinews_171010.html

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [備考] 微生物集団の渦巻き運動を操る幾何法則を発見

    • URL

      https://www.kyushu-u.ac.jp/f/31170/17_08_01.pdf

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書

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公開日: 2016-04-26   更新日: 2022-08-16  

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