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揺動散逸定理の破れと非ガウス性解析に基づく非熱的揺らぎの有用性評価

公募研究

研究領域情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理
研究課題/領域番号 20H05536
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 複合領域
研究機関九州大学

研究代表者

水野 大介  九州大学, 理学研究院, 教授 (30452741)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円)
2021年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2020年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
キーワードアクティブマター / 非平衡メカニクス / 非平衡散逸 / 非ガウス揺らぎ / 揺動散逸定理 / マイクロレオロジー / 非平衡力学 / アクティブガラス / 生体高分子機械 / 非平衡分布 / 非熱揺らぎ
研究開始時の研究の概要

モーター蛋白質を始めとする生体高分子機械は、細胞内部で最適に稼働するために、細胞内部環境の力学特性や非熱的揺らぎを積極的に利用する術を獲得したと思われる。その結果、希薄なin vitro系よりも密に詰め込まれた細胞内の混み合い環境の下で最適に稼働する。本研究では、生体高分子機械の稼働速度や効率に対して周囲媒質の”非平衡性”が及ぼす影響に着目して、この謎の解明に寄与する。細胞内の非熱的揺らぎが持つ時空間特性を実測し、その有用性を情報物理学的観点から解析し、生体高分子機械の設計原理を探求する。

研究実績の概要

生体高分子機械は、細胞内部で生成する非熱的揺らぎを利用している可能性がある。そこで、細胞や細胞モデルシステム内で発生する非熱揺らぎの時空間分布のスペクトルを求め、非熱揺らぎのうち、生体高分子のようなメソスケール自由度が有効に利用できる成分を評価することを目指している。これまで行ってきた非熱的揺らぎの強度の評価に加えて、非熱的揺らぎの統計分布と時空間相関を新たに観測対象に加えることで、非熱揺らぎが系内部のメソスケール自由度の振る舞いを活性化する”効率”を評価するためのマイクロレオロジー(メソスケールの非熱揺らぎと応答の計測)を行った。細胞内での評価が困難な生体高分子機械の機能にかわり、観測実績がある周囲媒質の非線形硬化や非平衡流動を指標として、非熱的揺らぎの“有用性”と揺らぎの時空間分布の関係性を評価することを試みた。
また、上記を実行するために、以下の技術開発を行った。光捕捉を用いたマイクロレオロジー法は、非平衡媒質内部の揺らぎ・応答を物理法則の探索が可能な水準で観測する唯一の方法である。ただし、代謝活性の高い細胞質は光化学反応性を持つため、光捕捉レーザーの照射がその性質を変化させてしまう。そこで、フィードバックを用いた非侵襲的な粒子追跡を行うことで、0.5mW以下の微弱なレーザーによる細胞内観測を実現してこの問題を解決した。活発な代謝活動を長時間維持できる細胞質モデル系も作製した。また、光学的に不均質な細胞質中でマイクロレオロジー観測を行う技術を開発中であり、これらの開発技術を評価するとともに、非熱的揺らぎが保持する“情報”と“有用性”の関係性を試験的に探索した。

現在までの達成度 (段落)

令和3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3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (36件)

すべて 2022 2021 2020

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 1件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (30件) (うち国際学会 4件、 招待講演 5件)

  • [雑誌論文] Nonlinear master relation in microscopic mechanical response of semiflexible biopolymer networks2022

    • 著者名/発表者名
      Natsuki Honda, Keigo Shiraki, Francis van Esterik, Shono Inokuchi, Hiroyuki Ebata and Daisuke Mizuno
    • 雑誌名

      New Journal of Physics

      巻: -

    • 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] Noise-Induced Acceleration of Single Molecule Kinesin-12021

    • 著者名/発表者名
      Ariga Takayuki、Tateishi Keito、Tomishige Michio、Mizuno Daisuke
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 127 号: 17 ページ: 178101-178101

    • DOI

      10.1103/physrevlett.127.178101

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Rapid local compression in active gels is caused by nonlinear network response2020

    • 著者名/発表者名
      Mizuno D.、Tardin C.、Schmidt C. F.
    • 雑誌名

      Soft Matter

      巻: 16 号: 40 ページ: 9369-9382

    • DOI

      10.1039/c9sm02362c

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Experimental and theoretical energetics of walking molecular motors under fluctuating environments2020

    • 著者名/発表者名
      Ariga Takayuki、Tomishige Michio、Mizuno Daisuke
    • 雑誌名

      Biophysical Reviews

      巻: 12 号: 2 ページ: 503-510

    • DOI

      10.1007/s12551-020-00684-7

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Optimization of Optical Trapping and Laser Interferometry in Biological Cells2020

    • 著者名/発表者名
      Sugino Yujiro、Ikenaga Masahiro、Mizuno Daisuke
    • 雑誌名

      Applied Sciences

      巻: 10 号: 14 ページ: 4970-4970

    • DOI

      10.3390/app10144970

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Biophysics at Kyushu University2020

    • 著者名/発表者名
      Akiyama Ryo、Annaka Masahiko、Kohda Daisuke、Kubota Hiroyuki、Maeda Yusuke、Matsumori Nobuaki、Mizuno Daisuke、Yoshida Norio
    • 雑誌名

      Biophysical Reviews

      巻: 12 号: 2 ページ: 245-247

    • DOI

      10.1007/s12551-020-00643-2

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 力学駆動された混み合い系の非平衡レオロジー2022

    • 著者名/発表者名
      杉野裕次郎, 江端宏之, 水野大介
    • 学会等名
      物理学会第77回年次大会(2022年)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Rheology of Condensed Active Colloidal Suspension2022

    • 著者名/発表者名
      杉野裕次郎、江端宏之, 水野大介
    • 学会等名
      Active Matter Workshop 2022
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Spatial Correlation and Relaxation Time in Active E. Coli2022

    • 著者名/発表者名
      濱田啓聖, 杉野裕次郎, 江端宏之, 水野大介
    • 学会等名
      Active Matter Workshop 2022
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Motion of molecular motors reflecting rheological properties in cells2021

    • 著者名/発表者名
      T. Ariga, Y. Tomishige, D. Mizuno
    • 学会等名
      ESCHM-ISCH-ISB 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Universal Glass-forming behavior and Glassy cytoplasm driven by non-thermal forces2021

    • 著者名/発表者名
      Kenji Nishizawa, Daisuke Mizuno
    • 学会等名
      ESCHM-ISCH-ISB 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Metabolism-Dependent Active Diffusion in Living Cells2021

    • 著者名/発表者名
      Yujiro Sugino, Kenji Nishizawa, Daisuke Mizuno
    • 学会等名
      ESCHM-ISCH-ISB 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Microrheology of concentrated emulsion as a model cytoplasm2021

    • 著者名/発表者名
      井口昇之、水野 大介
    • 学会等名
      ESCHM-ISCH-ISB 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 濃厚バクテリア懸濁液の非平衡力学2021

    • 著者名/発表者名
      杉野裕次郎, 水野大介
    • 学会等名
      物理学会2021年秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 細胞質モデルとしての濃厚エマルジョンのマイクロレオロジー計測2021

    • 著者名/発表者名
      井口昇之, 松岡亮介, 水野大介
    • 学会等名
      物理学会2021年秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 揺動散逸定理の破れの細胞質レオロジーへの示唆2021

    • 著者名/発表者名
      熊丸一平, 杉野裕次郎, 水野大介
    • 学会等名
      物理学会2021年秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 局所的な力印加による濃厚コロイド懸濁液のマイクロレオロジー2021

    • 著者名/発表者名
      荊原佳祐, 江藤高宏, 水野大介
    • 学会等名
      物理学会2021年秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 液-液相分離によって生じる細胞内凝集体のマイクロレオロジー2021

    • 著者名/発表者名
      冨田海理, 藤原誠, 水野大介
    • 学会等名
      物理学会2021年秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] バクテリア遊走を伴う懸濁液系の非平衡力学2021

    • 著者名/発表者名
      濱田啓聖, 杉野裕次郎, 水野大介
    • 学会等名
      第 127 回日本物理学会九州支部例会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 巨視的なずり場印加下の濃厚コロイド懸濁液のマイクロレオロジー2021

    • 著者名/発表者名
      吉良和真, 荊原佳祐, 水野大介
    • 学会等名
      第 127 回日本物理学会九州支部例会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 濃厚エマルジョンにおけるこみあい由来の粘弾性緩和挙動2021

    • 著者名/発表者名
      松岡亮佑, 井口昇之, 水野大介
    • 学会等名
      第 127 回日本物理学会九州支部例会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 代謝活性を持つ細胞質モデルのレオロジーと構造緩和2021

    • 著者名/発表者名
      杉野裕次郎, 熊丸一平, 福本昂平, 曽和義幸, 高橋達郎, 水野大介
    • 学会等名
      日本物理学会 第76回年次大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] レーザー干渉法における光てこの応用2021

    • 著者名/発表者名
      井口昇之, 水野大介
    • 学会等名
      日本物理学会 第76回年次大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 光てこを用いたレーザー干渉法による粒子追跡2021

    • 著者名/発表者名
      井口昇之, 水野大介
    • 学会等名
      応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] レーザー干渉法を用いたアクティブマターの力学計測2020

    • 著者名/発表者名
      杉野裕次郎, 福本昂平, 三谷一晃, 西澤賢治, 高橋達郎, 水野大介
    • 学会等名
      日本物理学会 第75回年次大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 生体高分子ゲルの局所力学応答2020

    • 著者名/発表者名
      白木啓悟, 本田菜月, Francis van Esterik, 水野大介
    • 学会等名
      日本物理学会 第75回年次大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 局所外力印加によりひき起こされるミクロスケールでの高分子の構造緩和2020

    • 著者名/発表者名
      西澤賢治, 本田菜月, 水野大介
    • 学会等名
      日本物理学会 第75回年次大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 光てこを用いたレーザー干渉法による粒子追跡2020

    • 著者名/発表者名
      井口昇之, 三谷一晃, 水野大介
    • 学会等名
      日本物理学会 第75回年次大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 局所的な力印加における濃厚コロイド懸濁液のマイクロレオロジー2020

    • 著者名/発表者名
      荊原佳祐, 江藤高宏, 林原蹴斗, 荻原僚, 水野大介
    • 学会等名
      日本物理学会 第75回年次大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 外力誘起により流動する濃厚コロイド懸濁液のマイクロレオロジー2020

    • 著者名/発表者名
      江藤高宏, 荊原佳祐, 荻原僚, 水野大介
    • 学会等名
      日本物理学会 第75回年次大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] アクティブ環境下でのキネシンの運動2020

    • 著者名/発表者名
      有賀隆行, 立石圭人, 富重道雄, 水野大介
    • 学会等名
      日本物理学会 第75回年次大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] モーター蛋白質が生み出す非熱揺らぎの時空間特性と細胞質流動化2020

    • 著者名/発表者名
      水野大介
    • 学会等名
      第10回分子モーター討論会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ずり場印加下における濃厚コロイド懸濁液のマイクロレオロジー2020

    • 著者名/発表者名
      江藤高宏,荊原佳祐,水野大介
    • 学会等名
      第126回日本物理学会九州支部例会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 局所的な力印加による濃厚コロイド懸濁液のマイクロレオロジー2020

    • 著者名/発表者名
      荊原佳祐,江藤高宏,水野大介
    • 学会等名
      第126回日本物理学会九州支部例会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 非平衡系におけるアクティブ拡散と構造緩和の測定2020

    • 著者名/発表者名
      熊丸一平,杉野裕次郎,水野大介
    • 学会等名
      第126回日本物理学会九州支部例会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 濃厚エマルジョンの広帯域マイクロレオロジー2020

    • 著者名/発表者名
      井口昇之,水野大介
    • 学会等名
      第126回日本物理学会九州支部例会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2022-12-28  

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