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2020 年度 実績報告書

微生物バイオメカニクスの深化

研究課題

研究課題/領域番号 17H00853
研究機関東北大学

研究代表者

石川 拓司  東北大学, 医工学研究科, 教授 (20313728)

研究分担者 菊地 謙次  東北大学, 工学研究科, 准教授 (00553801)
大森 俊宏  東北大学, 工学研究科, 助教 (10633456)
研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2021-03-31
キーワード微生物 / バイオメカニクス / 計算生体工学 / 実験生体工学 / 理論生体工学
研究実績の概要

本年度は、全スケールの研究課題を推進し、さらに応用研究へと展開した。主要な研究実績は以下の通りである。
1.テトラヒメナが背景流れに対して走流性を示すことを世界に先駆けて発見した。この成果は総合誌で世界最高峰のScience Advances誌に掲載され、プレスリリースされた(Ohmura, et al., Science Adv. 2021)。 2.クラミドモナスも流れに逆らって泳ぐ性質を示すことを発見した。実験と理論、数値シミュレーションを融合し、遊泳の非定常性が走流性に必須であることを示した(Omori, et al., J. Fluid Mech. 2021)。 3.さまざまな遊泳モードの微生物干渉の解析を行い、干渉運動の相図を作成した。微生物干渉の体系的な理解が進んだ(Darveniza, et al., Phys. Rev. Fluids,2022)。 4.数値解析手法の高度化にも取り組み、汎用性の高い境界要素法と近接場が得意な潤滑理論を融合させたLT-BEMを開発した。(Ishikawa, J. Comp. Phys., 2022)。 5.開発した解析プラットフォームをバイオフィルムの形成過程へと展開した。複雑流路内に形成されるストリーマーの形成過程を細胞スケールから調べ、マクロなレオロジー特性とストリーマー形状との関係を解明した(Kitamura, et al., J. R. Soc. Interface, 2021)。 6.開発した解析プラットフォームを酵母の発酵過程へと展開し、マルチスケール解析プラットフォームを用いて培養時の輸送現象を定量的に解明した。この成果はSoft Matter誌の背表紙を飾り、プレスリリースされた(Srivastava, et al., Roy. Soc. Open Sci., 2021; Soft Matter, 2021)。

現在までの達成度 (段落)

令和2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2年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (51件)

すべて 2022 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (23件) (うち国際共著 5件、 査読あり 23件、 オープンアクセス 10件) 学会発表 (25件) (うち国際学会 23件、 招待講演 4件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] University of Cambridge(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      University of Cambridge
  • [国際共同研究] University of Melbourne(オーストラリア)

    • 国名
      オーストラリア
    • 外国機関名
      University of Melbourne
  • [雑誌論文] Lubrication theory and boundary element hybrid method for calculating hydrodynamic forces between particles in near contact2022

    • 著者名/発表者名
      Ishikawa Takuji
    • 雑誌名

      Journal of Computational Physics

      巻: 452 ページ: 110913~110913

    • DOI

      10.1016/j.jcp.2021.110913

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Pairwise scattering and bound states of spherical microorganisms2022

    • 著者名/発表者名
      Darveniza C.、Ishikawa T.、Pedley T. J.、Brumley D. R.
    • 雑誌名

      Physical Review Fluids

      巻: 7 ページ: 013104

    • DOI

      10.1103/PhysRevFluids.7.013104

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Non-biodegradable objects may boost microbial growth in water bodies by harnessing bubbles2021

    • 著者名/発表者名
      Srivastava Atul、Kikuchi Kenji、Ishikawa Takuji
    • 雑誌名

      Royal Society Open Science

      巻: 8 ページ: 210646~210646

    • DOI

      10.1098/rsos.210646

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Near-wall rheotaxis of the ciliate Tetrahymena induced by the kinesthetic sensing of cilia2021

    • 著者名/発表者名
      Ohmura Takuya、Nishigami Yukinori、Taniguchi Atsushi、Nonaka Shigenori、Ishikawa Takuji、Ichikawa Masatoshi
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 7 ページ: eabi5878

    • DOI

      10.1126/sciadv.abi5878

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Impact of rheological properties on bacterial streamer formation2021

    • 著者名/発表者名
      Kitamura Hiroki、Omori Toshihiro、Ishikawa Takuji
    • 雑誌名

      Journal of The Royal Society Interface

      巻: 18 ページ: 20210546

    • DOI

      10.1098/rsif.2021.0546

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Rheotaxis and migration of an unsteady microswimmer2021

    • 著者名/発表者名
      Omori T.、Kikuchi K.、Schmitz M.、Pavlovic M.、Chuang C.-H.、Ishikawa T.
    • 雑誌名

      Journal of Fluid Mechanics

      巻: 930 ページ: A30

    • DOI

      10.1017/jfm.2021.921

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Microbial Brazil nut effect2021

    • 著者名/発表者名
      Srivastava Atul、Kikuchi Kenji、Ishikawa Takuji
    • 雑誌名

      Soft Matter

      巻: 17 ページ: 10428~10436

    • DOI

      10.1039/d1sm01327k

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Cilia and centrosomes: Ultrastructural and mechanical perspectives2021

    • 著者名/発表者名
      Ishikawa Takuji、Ueno Hironori、Omori Toshihiro、Kikuchi Kenji
    • 雑誌名

      Seminars in Cell & Developmental Biology

      巻: 110 ページ: 61~69

    • DOI

      10.1016/j.semcdb.2020.03.007

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Zigzag instability of biased pusher swimmers2021

    • 著者名/発表者名
      Lauga Eric、Nghi Dang Thanh、Ishikawa Takuji
    • 雑誌名

      Europhysics Letters

      巻: 133 ページ: 44002

    • DOI

      10.1209/0295-5075/133/44002

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Rheology of a concentrated suspension of spherical squirmers: monolayer in simple shear flow2021

    • 著者名/発表者名
      Ishikawa T.、Brumley D.R.、Pedley T.J.
    • 雑誌名

      Journal of Fluid Mechanics

      巻: 914 ページ: A26

    • DOI

      10.1017/jfm.2020.885

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Bacterial biomechanics?From individual behaviors to biofilm and the gut flora2020

    • 著者名/発表者名
      Ishikawa Takuji、Omori Toshihiro、Kikuchi Kenji
    • 雑誌名

      APL Bioengineering

      巻: 4 ページ: 041504

    • DOI

      10.1063/5.0026953

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] The bubble-induced population dynamics of fermenting yeasts2020

    • 著者名/発表者名
      Srivastava Atul、Kikuchi Kenji、Ishikawa Takuji
    • 雑誌名

      Journal of The Royal Society Interface

      巻: 17 ページ: 20200735

    • DOI

      10.1098/rsif.2020.0735

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Swimming microorganisms acquire optimal efficiency with multiple cilia2020

    • 著者名/発表者名
      Omori Toshihiro、Ito Hiroaki、Ishikawa Takuji
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      巻: 117 ページ: 30201~30207

    • DOI

      10.1073/pnas.2011146117

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Elasto-hydrodynamic interaction of two swimming spermatozoa2020

    • 著者名/発表者名
      Taketoshi Nanami、Omori Toshihiro、Ishikawa Takuji
    • 雑誌名

      Physics of Fluids

      巻: 32 ページ: 101901

    • DOI

      10.1063/5.0022107

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Active droplet driven by a collective motion of enclosed microswimmers2020

    • 著者名/発表者名
      Huang Zhihan、Omori Toshihiro、Ishikawa Takuji
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 102 ページ: 22603

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.102.022603

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Stability of dancing Volvox2020

    • 著者名/発表者名
      Ishikawa Takuji、Pedley T. J.、Drescher Knut、Goldstein Raymond E.
    • 雑誌名

      Journal of Fluid Mechanics

      巻: 903 ページ: A11

    • DOI

      10.1017/jfm.2020.613

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Vulnerability of the skin barrier to mechanical rubbing2020

    • 著者名/発表者名
      Kikuchi Kenji、Shigeta Shunsuke、Numayama-Tsuruta Keiko、Ishikawa Takuji
    • 雑誌名

      International Journal of Pharmaceutics

      巻: 587 ページ: 119708

    • DOI

      10.1016/j.ijpharm.2020.119708

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Rheology of a dilute suspension of deformable microswimmers2020

    • 著者名/発表者名
      Matsui Hitomu、Omori Toshihiro、Ishikawa Takuji
    • 雑誌名

      Physics of Fluids

      巻: 32 ページ: 071902

    • DOI

      10.1063/5.0010558

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] How do C. elegans worms survive in highly viscous habitats?2020

    • 著者名/発表者名
      Suzuki Yuki、Kikuchi Kenji、Numayama-Tsuruta Keiko、Ishikawa Takuji
    • 雑誌名

      Journal of Experimental Biology

      巻: 223 ページ: jeb224691

    • DOI

      10.1242/jeb.224691

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Harnessing random low Reynolds number flow for net migration2020

    • 著者名/発表者名
      Morita Takeru、Omori Toshihiro、Nakayama Yohei、Toyabe Shoichi、Ishikawa Takuji
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 101 ページ: 63101

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.101.063101

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Mechanical roles of anterograde and retrograde intestinal peristalses after feeding in a larval fish (<i>Danio rerio</i>)2020

    • 著者名/発表者名
      Kikuchi Kenji、Noh Hyeongtak、Numayama-Tsuruta Keiko、Ishikawa Takuji
    • 雑誌名

      American Journal of Physiology-Gastrointestinal and Liver Physiology

      巻: 318 ページ: G1013~G1021

    • DOI

      10.1152/ajpgi.00165.2019

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Hydrodynamic interaction of two deformable torque swimmers2020

    • 著者名/発表者名
      Matsui Hitomu、Omori Toshihiro、Ishikawa Takuji
    • 雑誌名

      Journal of Fluid Mechanics

      巻: 894 ページ: A9

    • DOI

      10.1017/jfm.2020.272

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Shape matters: entrapment of a model ciliate at interfaces2020

    • 著者名/発表者名
      Manabe Junichi、Omori Toshihiro、Ishikawa Takuji
    • 雑誌名

      Journal of Fluid Mechanics

      巻: 892 ページ: A15

    • DOI

      10.1017/jfm.2020.160

    • 査読あり
  • [学会発表] 微生物の走性・行動の力学モデル2022

    • 著者名/発表者名
      石川拓司
    • 学会等名
      「ジオラマ環境で覚醒する原生知能を定式化する細胞行動力学」シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] Motion of a Soft Dumbbell Microswimmer in Oscillating Shear Flow and Random Linear Flow2021

    • 著者名/発表者名
      A. Doi, T. Omori, T. Ishikawa
    • 学会等名
      18th International Conference on Flow Dynamics
    • 国際学会
  • [学会発表] Mass Transport in a Packed Suspension of Swimming Microorganisms2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Kogure, T. Omori, T. Ishikawa
    • 学会等名
      18th International Conference on Flow Dynamics
    • 国際学会
  • [学会発表] Bubble induced Puffing Process of Fermenting Bread Dough2021

    • 著者名/発表者名
      K. Kimura, K. Kikuchi, A. Srivastava, K. Numayama-Tsuruta, T. Ishikawa
    • 学会等名
      18th International Conference on Flow Dynamics
    • 国際学会
  • [学会発表] Sustainable Particle Capture Ability on a Fresh-water Sponge2021

    • 著者名/発表者名
      K. Kawashima, K. Kikuchi, T. Ishikawa
    • 学会等名
      18th International Conference on Flow Dynamics
    • 国際学会
  • [学会発表] Hydrodynamic Interaction of Deformable Micro Swimmers2021

    • 著者名/発表者名
      K. Kubo, T. Omori, T. Ishikawa
    • 学会等名
      18th International Conference on Flow Dynamics
    • 国際学会
  • [学会発表] Computational Biomechanical Model of the Sponge’s Choanocyte Chamber2021

    • 著者名/発表者名
      T. Ogawa, T. Omori, T. Ishikawa
    • 学会等名
      18th International Conference on Flow Dynamics
    • 国際学会
  • [学会発表] Liposomal Drug Carriers through an Extended Skin2021

    • 著者名/発表者名
      J. Huang, K. Kikuchi, K. Numayama-Tsuruta, T. Ishikawa
    • 学会等名
      18th International Conference on Flow Dynamics
    • 国際学会
  • [学会発表] Dynamics of a swimming microorganism suspension2021

    • 著者名/発表者名
      Kiyoto Kubo, Toshihiro Omori, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      The 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical simulation of the sponge's choanocyte chamber2021

    • 著者名/発表者名
      Takumi Ogawa, Toshihiro Omori, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      The 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 国際学会
  • [学会発表] Instantaneous puncture for accurate needle insertion in percutaneous intervention2021

    • 著者名/発表者名
      Kojiro Sugiyama, Kenji Kikuchi, Tomomi Sato, Sota Oguro, Satoru Yanagaki, Kei Takase, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      The 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical analysis of collective swimming of sperm in three dimensions2021

    • 著者名/発表者名
      Nanami TAKETOSHI, Toshihiro OMORI, Takuji ISHIKAWA
    • 学会等名
      The 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 国際学会
  • [学会発表] Mass transport in an aggregation of swimming microorganisms2021

    • 著者名/発表者名
      Yu Kogure, Toshihiro Omori, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      The 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 国際学会
  • [学会発表] Virus scale nano-particle permeation into a stretched skin by CLSM flow visualization2021

    • 著者名/発表者名
      Rempei YASUDA, Kenji KIKUCHI, Keiko NUMAYAMA-TSURUTA, Takuji ISHIKAWA
    • 学会等名
      19th International Symposium on Flow Visualization
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of ambient flow on a fresh-water sponge2021

    • 著者名/発表者名
      Kenji KIKUCHI, Shuji KOYAMA, Keiko Tsuruta-NUMAYAMA, Takuji ISHIKAWA
    • 学会等名
      19th International Symposium on Flow Visualization
    • 国際学会
  • [学会発表] RHEOLOGY OF A CONCENTRATED MONOLAYER OF SPHERICAL SQUIRMERS2021

    • 著者名/発表者名
      T. J. Pedley, Takuji Ishikawa, D. R. Brumley
    • 学会等名
      ICTAM 2020+1 conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Hydrodynamics of ciliary swimming2021

    • 著者名/発表者名
      Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      Biofluid Symposium in Biofluids 2021
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Dynamic structures in concentrated suspensions of spherical squirmers2021

    • 著者名/発表者名
      D. R. Brumley, T. Ishikawa, T. J. Pedley
    • 学会等名
      APS March meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] Functions and Efficiency of Ciliary Swimming2021

    • 著者名/発表者名
      Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      21st RIES-Hokudai International Symposium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Hydrodynamic Interaction of Two sperm2020

    • 著者名/発表者名
      N. Taketoshi , T. Omori, T. Ishikawa
    • 学会等名
      Proc. 17th International Conference on Fluid Dynsmics
    • 国際学会
  • [学会発表] Flagellar Driven Flow in the Choanocyte Chamber of Sponges2020

    • 著者名/発表者名
      T. Ogawa , T. Omori, T. Ishikawa
    • 学会等名
      Proc. 17th International Conference on Fluid Dynsmics
    • 国際学会
  • [学会発表] Capsule-connected Microswimmer Driven by an Oscillating Shear Flow2020

    • 著者名/発表者名
      A. Doi , T. Omori, T. Ishikawa
    • 学会等名
      Proc. 17th International Conference on Fluid Dynsmics
    • 国際学会
  • [学会発表] Enhancement of Nanoparticles Permeation by Mechanical Skin Extension2020

    • 著者名/発表者名
      R. Yasuda , K. Kikuchi, K. Numayama-Tsuruta, T. Ishikawa
    • 学会等名
      Proc. 17th International Conference on Fluid Dynsmics
    • 国際学会
  • [学会発表] Accelerated Puncture into Kidney Phantom2020

    • 著者名/発表者名
      K. Sugiyama , K. Kikuchi, K. Takase, T. Ishikawa
    • 学会等名
      Proc. 17th International Conference on Fluid Dynsmics
    • 国際学会
  • [学会発表] Biomechanics can provide a new perspective on microbiology2020

    • 著者名/発表者名
      Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      Webinar in Sharif University of Technology
    • 招待講演
  • [備考] Biological Flow Studies Laboratory

    • URL

      http://www.bfsl.mech.tohoku.ac.jp/index_jp.html

URL: 

公開日: 2022-12-28  

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