| 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 |
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| 研究課題/領域番号 |
25103011
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| 研究種目 |
新学術領域研究(研究領域提案型)
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
木村 康之 九州大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (00225070)
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| 研究分担者 |
水野 大介 九州大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (30452741)
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| 研究期間 (年度) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| キーワード | マイクロレオロジー / 細胞 / 混み合い効果 / 液晶電気対流 / 粘性 / 拡散定数 |
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| 研究概要 |
バイオマターの複合体が織りなす非線形・非平衡系の動力学を究明するための有効な手段であるマイクロレオロジーを用いて、様々な非熱的場により駆動されたバイオマターのメソスケールのゆらぎと力学応答に関する実験的研究を行い、以下のような成果を得た。
[１]細胞内力学物性に与える高分子混み合い効果
細胞内の力学的性質は、従来アクチン等の細胞骨格により決定されると考えられてきたが、細胞内は、様々なタンパク質等からなる高濃度の高分子溶液で満たされており、高分子の混み合いも細胞内の力学特性へ強く影響することが予想される。本年度は、単成分の高分子溶液と多成分高分子からなる３種類の細胞抽出液を用い、高分子濃度を変化させながら光褪色後蛍光回復法測定とマイクロレオロジー計測を行い、高分子濃度と粘性率の相関を評価した。その結果、全ての試料で濃度増加に伴う粘性率の上昇が観察され、その濃度依存性はガラス転移点近傍の振る舞いを表す経験的な式であるVogel-Fulcher-Tamman式に従うことがわかった。粘性が発散する高分子濃度は単一系では乱雑最密充填の濃度と一致するが、多成分系では細胞種によらずほぼ一定となり、その濃度は単一系の約半分であった。以上から、大きさや形状、表面電荷などが不均一となる多成分系の粘性は、単一系よりも高くなることが示唆される。
[２]液晶電気対流での粒子の運動
電圧で非平衡度が制御可能な液晶電気対流系を用いて、１次元の周期的対流ロール中での粒子運動を調べた。その結果、低電圧下では粒子は特定のロール中にローカルに束縛されているが、高電圧下でロール構造が乱れる欠陥乱流状態においては、ロールの組換えに従って軸と垂直方向に拡散的な運動を示すことがわかった。この時、拡散定数が印加電圧に対して単調に増加していくこと、拡散定数は平衡状態での粘性から予想される値の数百倍の大きな値を示すことがわかった。
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| 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
細胞系の実験では、複数の細胞抽出液において粘度の発散する濃度がモデルタンパク質系に比べ半分となる低濃度となることを初めて明らかにした。これにより、細胞内は物質的にはこのように混み合い状態にあり、生細胞内での物質輸送は非熱的に駆動されたメカニズムが重要であることがわかった。
モデル系では周期的流れのある非平衡系における輸送現象をその非平衡度の関数として実験的に観測することに成功し、簡単な確率モデルにより定量的な関係を明らかにすることに成功した。
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| 今後の研究の推進方策 |
モデルバイオマターの非平衡物性を明らかにするために、多数の粒子の運動を広い時間スケールにわたり同時観測可能なシステムをあらたに構築し、広い時間スケールでの局所passiveマイクロレオロジー測定を行い、バイオマターの階層的ダイナミクスを明らかにすることを目指す。
細胞系の実験では、生細胞内部と細胞抽出液の粘弾性特性に違いがあることが本年度の研究により明らかにされた。この違いの原因は、細胞内部では、モーターたんぱく質に駆動された細胞骨格により混雑状態が非熱的に”かき乱されて”おり、細胞骨格の間隙に存在するメソスケール空間では、本来ガラスとして固化すべき物質が、強制的に駆動されて流動化している可能性がある。今後はこうした生細胞と多成分高分子系での力学挙動や特性を定量的に究明する。
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