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細胞質中の非熱揺らぎの実態とその有用性の情報熱力学解析

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 22H04848
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) 2022-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
8,580千円 (直接経費: 6,600千円、間接経費: 1,980千円)
2023年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2022年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
キーワードアクティブガラス / 非熱揺らぎ / 遊走微生物 / 生体分子機械 / 代謝維持装置 / マイクロレオロジー / 非平衡力学 / 非ガウス揺らぎ / 細胞質 / dense active matter / 生体高分子機械
研究開始時の研究の概要

混み合い環境のもとで生体分子機械が稼働すると、非熱的な揺らぎが生じて細胞質は非平衡状態となる。また、モーター蛋白質の方向性運動が非熱揺らぎの印加により加速する。したがって、生体分子機械が主導する細胞内部の代謝活動が、非熱的な揺らぎによって物理的に活性化される可能性がある。この仮説を実証するために、本研究では半透膜を介して外部環境とエネルギー物質や代謝生成物の交換を行うことで、生体試料の代謝回転を長期間維持できる装置(代謝維持装置)を開発する。代謝活動を制御しつつマイクロレオロジー計測を行い、非熱揺らぎが媒質の構造緩和や生体分子機能の活性化を促すメカニズムを解明する。

研究実績の概要

従来、生体物質の物性研究は、取り扱いの容易さから少数種類からなる平衡系を対象とすることが多かった。研究代表者らは、培養細胞内部の力学測定を実現する独自の実験系を構築して研究を進めてきたが、細胞は外部環境の変化に自律的に適応して生存を図る複雑系であり、その内部環境を人工的に操作しにくい。そこで細胞抽出物を用いることが有力な選択肢となるが、閉鎖系では短時間でエネルギー源を使い果たして活性を失う。そこで我々は、環境制御された非平衡・定常開放系として、細胞内部環境に近い条件で代謝回転を維持するモデル系を確立した。すなわち、半透膜を介して外部環境とエネルギー物質や代謝生成物の交換を行わせることでこれを実現し、アクトミオシンの収縮(強沈殿)に伴う非平衡揺らぎを確認した。
本研究では、代謝維持装置の性能評価をかね、また細胞質が属する混み合い非平衡系のモデル系として遊走大腸菌(RP4979)と非遊走大腸菌(SHU321)の濃厚懸濁液の揺らぎダイナミクスとレオロジーを調べた。新鮮な栄養分を供給し、有毒な代謝副産物を排除するための新しいデバイスを開発し、高濃度でバクテリアの生理活性状態を維持した。実験結果は一見両懸濁液がストロングガラスであることを示したが、SHU321は濃厚側で本質的に非線形流動して、pN程度に力の印加によりthinnningしているために、SHU321はフラジャイル、RP4979はストロングであることが示された。特にRP4979は揺動散逸定理が成立せず、ニュートン液体としての特性を示したが、SHU321の高荷重領域のthinnningしきった粘度と一致した。高濃度の遊走大腸菌懸濁液を用いて、これまで理論的・仮想的なものであったデンスなアクティブマターを創成し、その性質を実際に明らかにするとともに、細胞質に類似した混み合い非平衡系(アクティブガラス)の理解を深めた。

現在までの達成度 (段落)

令和5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5年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (43件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 1件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (37件) (うち国際学会 13件、 招待講演 4件)

  • [雑誌論文] Activity-dependent glassy cell mechanics II: Nonthermal fluctuations under metabolic activity2023

    • 著者名/発表者名
      Katsuhiro Umeda, Kenji Nishizawa, Wataru Nagao, Shono Inokuchi, Yujiro Sugino, Hiroyuki Ebata, Daisuke Mizuno
    • 雑誌名

      Biophysical journal

      巻: 122 号: 22 ページ: 4395-4413

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2023.10.018

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Measuring fluctuating dynamics of sparsely crosslinked actin gels with dual-feedback nonlinear microrheology2023

    • 著者名/発表者名
      Nishizawa Kenji、Honda Natsuki、Inokuchi Shono、Ebata Hiroyuki、Ariga Takayuki、Mizuno Daisuke
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 108 号: 3 ページ: 034601-034601

    • DOI

      10.1103/physreve.108.034601

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Activity-dependent glassy cell mechanics Ⅰ: Mechanical properties measured with active microrheology2023

    • 著者名/発表者名
      H. Ebata, K. Umeda, K. Nishizawa, W. Nagao, S. Inokuchi, Y. Sugino, T. Miyamoto, D. Mizuno
    • 雑誌名

      Biophysical Journal

      巻: In press 号: 10 ページ: 1781-1793

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2023.04.011

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 多重feedback制御されたマイクロレオロジーによる生体試料計測2023

    • 著者名/発表者名
      西澤 賢治,?水野 大介
    • 雑誌名

      オレオサイエンス

      巻: 23 号: 9 ページ: 491-498

    • DOI

      10.5650/oleoscience.23.491

    • ISSN
      1345-8949, 2187-3461
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] 非熱的なゆらぎが分子モーターキネシンを加速させる2023

    • 著者名/発表者名
      有賀隆行 , 立石圭人 , 富重道雄 , 水野大介
    • 雑誌名

      生物物理

      巻: 63 号: 2 ページ: 86-90

    • DOI

      10.2142/biophys.63.86

    • ISSN
      0582-4052, 1347-4219
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Nonlinear master relation in microscopic mechanical response of semiflexible biopolymer networks2022

    • 著者名/発表者名
      N Honda, K Shiraki, F van Esterik, S Inokuchi, H Ebata and DMizuno
    • 雑誌名

      New Journal of Physics

      巻: 24 号: 5 ページ: 053031-053031

    • DOI

      10.1088/1367-2630/ac6902

    • 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
  • [学会発表] Effective temperature-dependent rheology of living cell cytoplasm2024

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Ebata, Daisuke Mizuno
    • 学会等名
      Active Matter Workshop 2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 代謝制御された細胞質レオロジーの実効温度依存性2024

    • 著者名/発表者名
      田尾優樹、水野大介、江端宏之
    • 学会等名
      「情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理」第8回領域会議
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 細胞質中の非熱揺らぎの実態とその有用性の情報熱力学解析2024

    • 著者名/発表者名
      水野大介
    • 学会等名
      「情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理」第8回領域会議
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 局所的な外場印加下の濃厚コロイド懸濁液の非線形レオロジー2024

    • 著者名/発表者名
      上村泰生, 吉良和真, 水野大介
    • 学会等名
      日本物理学会2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Fluctuation Dynamics and Rheology of Dense Active Suspension2023

    • 著者名/発表者名
      Yujiro Sugino, Hiroyuki Ebata, Yoshiyuki Sowa, Daisuke Mizuno
    • 学会等名
      28th International Conference on Statistical Physics
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Activity-dependent rheology of cell cytoplasm2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Ebata, Daisuke Mizuno
    • 学会等名
      28th International Conference on Statistical Physics
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Microrheology of jammed matters2023

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Hara, Ryosuke Matsuoka, Hiroyuki Ebata, Daisuke Mizuno, Atsushi Ikeda
    • 学会等名
      28th International Conference on Statistical Physics
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Mechanics of cell cytoplasm driven by non-thermal fluctuation2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Ebata, Daisuke Mizuno
    • 学会等名
      7th International Soft Matter Conference
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Cytoplasmic viscoelasticity ages in ATP-depleted cells2023

    • 著者名/発表者名
      Yuki Tao, Hiroyuki Ebata, Daisuke Mizuno
    • 学会等名
      7th International Soft Matter Conference
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Power-law relaxation of concentrated colloidal suspensions2023

    • 著者名/発表者名
      Ryosuke Matsuoka, Shono Inokuchi, Hiroyuki Ebata, Atsushi Ikeda, Yusuke Hara、Masahiko Annaka、Daisuke Mizuno
    • 学会等名
      7th International Soft Matter Conference
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Microrheology of Jammed Matters2023

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Hara, Ryosuke Matsuoka, Hiroyuki Ebata, Daisuke Mizuno, Atsushi Ikeda
    • 学会等名
      7th International Soft Matter Conference
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Fluctuation and Rheology of Dense Active Suspension2023

    • 著者名/発表者名
      Yujiro Sugino, Hiroyuki Ebata, Yoshiyuki Sowa, Daisuke Mizuno
    • 学会等名
      7th International Soft Matter Conference
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Active fluidization of living cytoplasm2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Ebata, Daisuke Mizuno
    • 学会等名
      kickoff meeting of active matter c2c
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Viscoelastic aging of the cytoplasm in metabolically inhibited cells2023

    • 著者名/発表者名
      Yuki Tao, Hiroyuki Ebata, Daisuke Mizuno
    • 学会等名
      kickoff meeting of active matter c2c
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Power-law viscoelasticity of concentrated colloidal suspensions2023

    • 著者名/発表者名
      Ryosuke Matsuoka, Shono Inokuchi, Hiroyuki Ebata, Atsushi Ikeda, Yusuke Hara, Masahiko Annaka, Daisuke Mizuno
    • 学会等名
      kickoff meeting of active matter c2c
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Fluctuation and Rheology of Dense Active Suspension2023

    • 著者名/発表者名
      Yujiro Sugino, Hiroyuki Ebata, Yoshiyuki Sowa, Daisuke Mizuno
    • 学会等名
      kickoff meeting of active matter c2c
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 局所的な外力印加下の濃厚コロイド懸濁液のマイクロレオロジー2023

    • 著者名/発表者名
      吉良和真, 柳島大輝, 荊原佳祐, 水野大介
    • 学会等名
      日本物理学会第78回年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 液-液相分離で形成されたオートファジー関連凝集体のマイクロレオロジー2023

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Mizuno, Kairi Tomita, Makoto Fujiwara, Haruka Chino, Norr Roland, Noboru Mizushima
    • 学会等名
      第61回 日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Characterization of activity-dependent mechanics of the cell cytoplasm2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Ebata, Daisuke Mizuno
    • 学会等名
      第61回 日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ガラスにおける異常散逸とアクティブ流動化の数値的研究2023

    • 著者名/発表者名
      新垣亮宗、江端宏之、水野大介
    • 学会等名
      第129回日本物理学会九州支部例会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ATP 枯渇細胞の細胞質メカニクス2023

    • 著者名/発表者名
      田尾優樹、江端宏之、水野大介
    • 学会等名
      第129回日本物理学会九州支部例会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 濃厚コロイド懸濁液における混み合い由来のべき乗則緩和現象2023

    • 著者名/発表者名
      松岡亮佑, 井口昇之, 江端宏之, 池田昌司, 原雄介, 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
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 限界安定性が混み合い系のレオロジーに与える影響2023

    • 著者名/発表者名
      原雄介, 松岡亮佑, 江端宏之, 水野大介, 池田昌司
    • 学会等名
      日本物理学会 第76回年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 局所的な外力印加下の濃厚コロイド懸濁液のマイクロレオロジー2023

    • 著者名/発表者名
      吉良和真, 荊原佳祐, 柳島大輝, 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
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 細胞内力学の理解に向けた遊走微生物系の物理計測2023

    • 著者名/発表者名
      濱田啓聖, 安部共法, 杉野裕次郎, 江端宏之, 曽和義幸, 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
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 代謝依存的な細胞質の非平衡力学2023

    • 著者名/発表者名
      江端宏之, 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
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 遊走大腸菌濃厚懸濁液の非平衡レオロジー2023

    • 著者名/発表者名
      杉野裕次郎, 江端宏之, 曽和義幸, 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
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Critical Jamming and gel rheology of droplet suspensions in living cells2022

    • 著者名/発表者名
      水野大介
    • 学会等名
      25 th Anniversary Symposium for German-Japanese Non-Equilibrium Statistical Physics
    • 関連する報告書
      2022 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レオロジー2022

    • 著者名/発表者名
      杉野裕次郎, 江端宏之, 曽和義幸, 水野大介
    • 学会等名
      2022 ソフトマター研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 代謝依存点細胞骨格非依存の細胞質レオロジー特性2022

    • 著者名/発表者名
      江端宏之, 水野大介
    • 学会等名
      2022 ソフトマター研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 基材弾性率により形態制御された細胞の細胞質流動特性2022

    • 著者名/発表者名
      江端宏之, 水野大介
    • 学会等名
      日本物理学会 2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 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2022

    • 著者名/発表者名
      松岡亮佑, 井口昇之, 江端宏之, 池田昌司, 水野大介
    • 学会等名
      日本物理学会 2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] アクティブな濃厚懸濁系としての細胞質レオロジー2022

    • 著者名/発表者名
      水野大介, 松岡亮佑, 井口昇之, 杉野裕次郎
    • 学会等名
      日本物理学会 2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Critical Jamming and gel rheology of droplet suspensions in living cells2022

    • 著者名/発表者名
      水野大介
    • 学会等名
      第60回 生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 濃厚バクテリア懸濁液のアクティブレオロジー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
      第70回レオロジー討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 微生物が遊走する高分子・コロイド懸濁系の非平衡ダイナミクス2022

    • 著者名/発表者名
      安部共法, 濱田啓聖, 杉野裕次郎, 江端宏之, 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
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 代謝抑制が誘導する細胞質粘弾性のエイジング現象2022

    • 著者名/発表者名
      田尾優樹, 江端宏之, 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
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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