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2015 年度 実績報告書

生体膜におけるメソ構造の非平衡ダイナミクス

計画研究

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 25103010
研究機関首都大学東京

研究代表者

好村 滋行  首都大学東京, 理工学研究科, 准教授 (90234715)

研究分担者 野口 博司  東京大学, 物性研究所, 准教授 (00514564)
芝 隼人  東京大学, 物性研究所, 助教 (20549563)
研究期間 (年度) 2013-06-28 – 2018-03-31
キーワード生体膜 / 非平衡 / 相分離 / 化学反応 / ずり流動 / ラフト
研究実績の概要

本計画研究では、理論とシミュレーションを駆使して、多成分生体膜の相分離やゆらぎを媒介とした非平衡ダイナミクスを探求し、最終的にはそのメソ構造を制御することを目的としている。平成27年度には、(1)積層脂質膜における相分離の連動性、(2)生体膜のブラウン運動、(3)BARタンパク質による膜チューブ形成、(4)高いトポロジー種数を持つベシクルの形態転移、(5)ゆらぐ脂質膜における3つの表面張力の関係のテーマで重要な研究成果を得た。
(1)に関して、我々は積層した二次元イジングモデルを用いて、異なる膜の相分離の連動性を調べた。その結果、膜間に有限の相互作用が存在すると、熱平衡状態においてドメインは必ず連結することが明らかになった。また、我々はドメインの成長ダイナミクスにも着目し、膜間に働く相互作用による成長指数の変化を検討した。その結果、温度クエンチの深さが膜間相互作用の増加とともに深くなることで、膜の相分離が加速されることがわかった。またクエンチの深さを一定にすると、系は二次元から三次元へのクロスオーバー現象を示した。
(3)に関して、バナナ状タンパク質による膜チューブ形成のダイナミクスをメッシュレス膜模型によるシミューレションを用いて研究した。タンパク質に沿った自発曲率に加えて、側方に弱い自発曲率を加えることでチューブ形成のダイナミクスが大きく変わることが分かった。平衡状態の性質はそれほど変化しないが、集合途中にみられるネットワーク構造の安定性が変わることによって、チューブ形成速度が大きく変わる。側方に負の自発曲率を持つ場合、膜全体に広がったネットワークを形成し、ネットワークからチューブが伸びる。それに対して、側方に正の自発曲率を持つ場合は、ネットワークは形成せずに、多くの短いチューブが形成される。このように、側方方向の相互作用も無視できないことが明らかとなった。

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

平成27年度の研究成果のうち、積層脂質膜における相分離の連動性、生体膜のブラウン運動、BARタンパク質による膜チューブ形成、高いトポロジー種数を持つベシクルの形態転移、ゆらぐ脂質膜における3つの表面張力の関係については、すでに論文として出版している。細胞のマイクロレオロジーについても、新しい研究成果が得られつつあり、研究はおおむね順調に進展していると言える。

今後の研究の推進方策

平成28年度は、アクティブな環境における生体膜のゆらぎについて考察する予定である。細胞膜と細胞骨格の間にはATPを用いたアクティブな相互作用が働き、これが細胞膜ゆらぎに影響すると考えられている。そこで我々はアクティブな細胞骨格による細胞膜ゆらぎへの影響について理論的な解析を行う。具体的には、細胞骨格を壁とみなし(1) 壁が動かない場合、(2) 壁がアクティブな場合、(3) 壁がアクティブでかつ固有の時間スケールを持つ場合について細胞膜の平均二乗変位(MSD)を計算する。また、マイクロレオロジーに関する研究として、細胞質を二流体モデルで記述して、その中に存在する多数のタンパク質が双極子的な力を発生する場合に、細胞質中の粒子がどのようなブラウン運動をするかを理論的に解析する。そのためには、まず二流体モデルのグリーン関数を求めた上で、さらにMikhailovらの定式化を拡張して、粘弾性中のアクティブな拡散係数を求める予定である。
さらに、平成28年度にはバナナ状タンパク質の吸着による膜変形、化学反応による界面活性剤集合体の形態変化の研究を引き続き行う。タンパク質の吸着においては二種類のタンパク質が吸着する場合にどのような構造が形成されるか、および、その形成ダイナミクスを調べる。化学反応においては結合反応だけではなく、解離反応も含んだ系でシミュレーションを行う。球状のこぶのバディングや平板状の膜の形成の条件を明らかにする。
また、新しいテーマとして、表面帯電を伴う電解質添加剤としてのコロイド系、生体界面(軟骨など)に修飾された高分子ブラシ間の電解質溶液中でのダイナミクスを理解するために、界面-流体-静電相互作用を完全に取り入れた粗視化分子シミュレーションの手法構築を行い、流動・変形・イオンの不均一分布を伴った系に対する電解質添加の効果を調べる。

  • 研究成果

    (18件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 4件、 査読あり 6件、 謝辞記載あり 6件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 3件、 招待講演 4件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] Tel Aviv University(Israel)

    • 国名
      イスラエル
    • 外国機関名
      Tel Aviv University
  • [国際共同研究] Indian Institute of Technology Madras(India)

    • 国名
      インド
    • 外国機関名
      Indian Institute of Technology Madras
  • [国際共同研究] Universite Paris Diderot(France)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      Universite Paris Diderot
  • [雑誌論文] Relaxation dynamics of two-component fluid bilayer membranes2016

    • 著者名/発表者名
      R. Okamoto, Y. Kanemori, S. Komura, and J.-B. Fournier
    • 雑誌名

      Eur. Phys. J. E

      巻: 未定 ページ: 未定

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Membrane tubule formation by banana-shaped proteins with or without transient network structure2016

    • 著者名/発表者名
      H. Noguchi
    • 雑誌名

      Sci. Rep.

      巻: 6 ページ: 20935

    • DOI

      10.1038/srep20935

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Monte Carlo study of the frame, fluctuation and internal tensions of fluctuating membranes with fixed area2016

    • 著者名/発表者名
      H. Shiba, H. Noguchi, and J.-B. Fournier
    • 雑誌名

      Soft Matter

      巻: 12 ページ: 2373-2380

    • DOI

      10.1039/c5sm01900a

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Rheological evaluation of colloidal dispersions using smoothed profile method - formulation and applications2016

    • 著者名/発表者名
      J. J. Molina, K. Otomura, H. Shiba, H. Kobayashi, M. Sano, and R. Yamamoto
    • 雑誌名

      Journal of Fluid Mechanics

      巻: 792 ページ: 590-619

    • DOI

      10.1017/jfm.2016.78

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Correlated lateral phase separations in stacks of lipid membranes2015

    • 著者名/発表者名
      T. Hoshino, S. Komura, and D. Andelman
    • 雑誌名

      J. Chem. Phys.

      巻: 143 ページ: 243124 (9pp)

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1063/1.4934984

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Dynamics of two-component membranes surrounded by viscoelastic media2015

    • 著者名/発表者名
      S. Komura, K. Yasuda, and R. Okamoto
    • 雑誌名

      J. Phys.: Condens. Matter

      巻: 27 ページ: 432001 (7pp)

    • DOI

      doi:10.1088/0953-8984/27/43/432001

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] 実面積一定条件における弾性膜の力学張力、ゆらぎ張力、内部張力の関係のモンテカルロ計算2016

    • 著者名/発表者名
      芝隼人, 野口博司, J-B. Fournier
    • 学会等名
      日本物理学会第71回年次大会
    • 発表場所
      東北学院大学, 仙台市
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] 生体膜のダイナミクス2016

    • 著者名/発表者名
      野口博司
    • 学会等名
      新学術「ゆらぎと構造」第2回若手勉強会「ソフトマター若手勉強会」
    • 発表場所
      東京大学検見川セミナーハウス, 千葉市
    • 年月日
      2016-03-10 – 2016-03-11
    • 招待講演
  • [学会発表] 脂質膜におけるメソ構造2015

    • 著者名/発表者名
      岡本隆一, 好村滋行
    • 学会等名
      日本物理学会・2015年秋季
    • 発表場所
      関西大学, 吹田市
    • 年月日
      2015-09-18 – 2015-09-18
  • [学会発表] 化学反応下での二重膜のバディングとコラプス2015

    • 著者名/発表者名
      中川恒, 野口博司
    • 学会等名
      日本物理学会・2015年秋季
    • 発表場所
      関西大学, 吹田市
    • 年月日
      2015-09-16 – 2915-09-19
  • [学会発表] Budding and collapse of bilayer membrane induced by chemical reaction2015

    • 著者名/発表者名
      Koh M. Nakagawa and Hiroshi Noguchi
    • 学会等名
      International Workshop on Challenge to Synthesizing Life
    • 発表場所
      Hotel KAGETSUEN, Hakone, Kanagawa
    • 年月日
      2015-08-25 – 2015-08-26
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Relaxation Dynamics of Binary Lipid Bilayers2015

    • 著者名/発表者名
      S. Komura
    • 学会等名
      International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2015
    • 発表場所
      Kyoto University, Japan
    • 年月日
      2015-08-22 – 2015-08-22
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Dynamics of multi-component membranes2015

    • 著者名/発表者名
      S. Komura
    • 学会等名
      Controlled Structural Formation of Soft Matter
    • 発表場所
      Kavli Institute for Theoretical Physics China, China
    • 年月日
      2015-08-10 – 2015-08-10
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] タンパク質吸着による生体膜の形態変化2015

    • 著者名/発表者名
      野口博司
    • 学会等名
      機能物性融合科学研究会シリーズ(2)「ソフトダイナミクス」
    • 発表場所
      東京大学物性研究所, 柏市
    • 年月日
      2015-04-02 – 2015-04-03
  • [備考] 好村滋行のソフトマター研究

    • URL

      http://www.comp.tmu.ac.jp/shigekomura/

URL: 

公開日: 2017-01-06  

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