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2020 年度 実績報告書

高密度細菌集団の秩序創発・状態制御を司る熱統計力学原理の探求

計画研究

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 19H05800
研究機関東京大学

研究代表者

竹内 一将  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (50622304)

研究分担者 西口 大貴  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (20850556)
研究期間 (年度) 2019-06-28 – 2024-03-31
キーワードアクティブマター / 非平衡統計力学 / 微小流体デバイス / バクテリア / ガラス
研究実績の概要

本年度はまず、前年度に引き続き、成長条件から飢餓条件への切り替えで見られる細胞サイズ変化の統計法則について研究を進めた。実験的には、細胞サイズ分布はスケール不変ながら、その形状が成長条件での培地種類に依存することを発見した。これは、培地切替をゆっくり行えばスケール不変性が破れることを示唆する。そこで我々は、様々な切替速度に対する飢餓過程を数値計算で実施したところ、スケール不変性が成り立つか否かの転移が存在することを発見した。スケール不変性の成立にバクテリアのmultifork複製機構が関わっていることの示唆も得た。以上の成果は、非定常環境下における細胞サイズゆらぎが比較的単純な情報物理学的機構で支配されていることを示唆している。
高密度菌集団の集団運動状態については、前年度に、相分離様現象とガラス様現象の2種類の凝固過程があることを見出していた。本年度は、様々な培養条件の検討により、凝固過程の種類決定の主たる要因が界面活性剤の有無にあることを見出した。さらに、ガラス様現象の統計的特徴を解析し、ガラス系の特徴である動的不均一性が確認できた一方で、大腸菌集団では中距離的なネマチック秩序が発達することで、通常のガラス系と異なる統計的性質があることも見出した。また、菌液に蛍光ビーズを混ぜ、蛍光ビーズをトラッキングすることにより、菌集団の運動状態の特徴計測を行った。その結果、中程度の菌密度では、菌運動の効果によりビーズ拡散係数が熱ゆらぎより増大し、高密度ではガラス化によって拡散係数が急激に減少することがわかった。また、ガラス的領域において変位の非ガウス性を示唆する結果も得られ、混み合い現象における集団運動の特徴を整理することができた。
本年度はさらに、光ピンセット系の構築を行い、コロイド粒子等をトラップして動作確認を完了したほか、ガルバノミラーも組み込んでトラップ位置の振動も可能とした。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本年度計画の主要部分であった、高密度状態の菌集団に対する運動状態の計測と評価、相分離様現象とガラス様現象が現れる実験条件の決定因子の同定、光ピンセット系の構築をすべて達成することができた。また、飢餓過程における細胞サイズ分布のスケール不変性については、スケール不変性の成否に関する転移の発見やmultifork複製機構の重要性の示唆など、計画以上の顕著な成果が得られた。本成果は、multifork複製機構が細胞状態の保持に寄与している可能性を示すものであり、情報物理学としての意義が大きい。

今後の研究の推進方策

本年度の研究により、ガラス様状態においては大腸菌集団に中距離的なネマチック秩序が発達し、それにより形成される動的クラスターが集団の運動状態にも影響を与えている可能性が示唆された。そこで来年度は、その仮説をより定量的に検討すべく、必要な画像解析と統計解析を進める。また、本年度に構築した光ピンセット系を大腸菌集団に対して用い、集団状態への影響、特にその安定性の検証を行う。コロイド粒子をトラップすることで、菌集団にどのような影響を与えられるかについても検討する。
また、これまでの研究によって、細菌集団の増殖に伴うネマチック秩序の発達、特にトポロジカル欠陥などの特徴的構造の出現が示唆された。そこで来年度は、高密度細菌集団におけるトポロジカル欠陥の役割を検証する実験を新たに策定し、実施する。

  • 研究成果

    (24件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (6件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 2件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 3件、 招待講演 6件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] ENS-Paris/Sorbonne Universite/ESPCI Paris(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      ENS-Paris/Sorbonne Universite/ESPCI Paris
    • 他の機関数
      3
  • [国際共同研究] Warwick University(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      Warwick University
  • [国際共同研究] Niels Bohr Institute(デンマーク)

    • 国名
      デンマーク
    • 外国機関名
      Niels Bohr Institute
  • [国際共同研究] Technische Universitat Berlin/Physikalisch-Technische Bundesanstalt(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      Technische Universitat Berlin/Physikalisch-Technische Bundesanstalt
  • [国際共同研究] Argonne National Laboratory/Pennsylvania State University(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Argonne National Laboratory/Pennsylvania State University
  • [国際共同研究]

    • 他の国数
      2
  • [雑誌論文] Pair correlation of dilute active Brownian particles: From low-activity dipolar correction to high-activity algebraic depletion wings2021

    • 著者名/発表者名
      Poncet Alexis、Benichou Olivier、Demery Vincent、Nishiguchi Daiki
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 103 ページ: 012605/1-13

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.103.012605

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Organizing bacterial vortex lattices by periodic obstacle arrays2020

    • 著者名/発表者名
      Reinken Henning、Nishiguchi Daiki、Heidenreich Sebastian、Sokolov Andrey、Bar Markus、Klapp Sabine H. L.、Aranson Igor S.
    • 雑誌名

      Communications Physics

      巻: 3 ページ: 76/1-9

    • DOI

      10.1038/s42005-020-0337-z

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Direct Evidence for Universal Statistics of Stationary Kardar-Parisi-Zhang Interfaces2020

    • 著者名/発表者名
      Iwatsuka Takayasu、Fukai Yohsuke T.、Takeuchi Kazumasa A.
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 124 ページ: 250602/1-6

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.124.250602

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 液晶が切り拓く非平衡統計力学の普遍法則2020

    • 著者名/発表者名
      竹内一将
    • 雑誌名

      日本液晶学会誌

      巻: 24 ページ: 218-227

    • 査読あり
  • [学会発表] Dynamic scaling of liquid crystal defects: microscopic and macroscopic views2021

    • 著者名/発表者名
      K. A. Takeuchi
    • 学会等名
      Quantized vortices and nonlinear waves (量子渦と非線形波動)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Scale invariance of bacterial cell size fluctuations during starvation2021

    • 著者名/発表者名
      T. Shimaya, R. Okura, Y. Wakamoto and K. A. Takeuchi
    • 学会等名
      APS March Meeting 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] Electrokinetic Janus particles: from self-organized flagella to winged pair correlation2021

    • 著者名/発表者名
      D. Nishiguchi
    • 学会等名
      アクティブマター研究会2021
    • 招待講演
  • [学会発表] アクティブマターの集団運動における秩序発現と普遍法則に関する実験2021

    • 著者名/発表者名
      西口大貴
    • 学会等名
      日本物理学会 第76回年次大会
    • 招待講演
  • [学会発表] 低密度アクティブブラウン粒子の pair correlation における双翼状枯渇領域とスケーリング則:理論と電場駆動ヤヌス粒子実験2021

    • 著者名/発表者名
      西口大貴, A. Poncet, O. Benichou, V. Demery
    • 学会等名
      日本物理学会 第76回年次大会
  • [学会発表] 高密度バクテリア集団のガラス的協同運動2021

    • 著者名/発表者名
      山本真大, 古田祐二朗, 嶋屋拓朗, 大倉玲子, 若本祐一, 竹内一将
    • 学会等名
      日本物理学会 第76回年次大会
  • [学会発表] 飢餓中におけるバクテリアサイズ揺らぎのスケール不変性2021

    • 著者名/発表者名
      嶋屋拓朗, 大倉玲子, 若本祐一, 竹内一将
    • 学会等名
      日本物理学会 第76回年次大会
  • [学会発表] Microfluidics for dense bacterial populations unveils scale invariance in starving bacteria2020

    • 著者名/発表者名
      K. A. Takeuchi
    • 学会等名
      2020 NCTS Complex Systems Workshop
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 液晶実験から非平衡厳密解、そして量子多体系へ2020

    • 著者名/発表者名
      竹内一将
    • 学会等名
      物理工学の新展開
    • 招待講演
  • [学会発表] バクテリア乱流の境界条件と渦秩序のトポロジカル制御2020

    • 著者名/発表者名
      西口大貴, H. Reinken, S. Heidenreich, A. Sokolov, M. Bar, S. H. L. Klapp, I. Aranson
    • 学会等名
      日本物理学会 2020年秋季大会
    • 招待講演
  • [学会発表] 高密度バクテリア集団研究のための広域マイクロ灌流系と、それによる細胞集団の統計物理学・情報物理学実験の試み2020

    • 著者名/発表者名
      竹内一将
    • 学会等名
      第58回 日本生物物理学会年会
  • [学会発表] 高密度バクテリア集団の統計物理実験2020

    • 著者名/発表者名
      竹内一将
    • 学会等名
      新学術領域研究「生命の情報物理学」 第2回領域会議
  • [学会発表] 非運動性大腸菌集団の三次元化とアクティブネマティクス2020

    • 著者名/発表者名
      嶋屋拓朗
    • 学会等名
      第19回 関東ソフトマター研究会
  • [備考] 竹内研究室 研究紹介

    • URL

      http://lab.kaztake.org/research-j.html

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公開日: 2021-12-27  

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