| 研究課題/領域番号 |
18K03443
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
内田 就也 東北大学, 理学研究科, 准教授 (10344649)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | パターン形成 / 走化性 / アクティブマター |
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| 研究実績の概要 |
(1) 走化性を持つバクテリアのクラスター形成のモデルの構築
大腸菌のような走化性バクテリアには誘引物質を分泌して巨視的なクラスターを形成するものがある。本研究ではバクテリアを離散的な粒子として扱い、バクテリアの微視的な特性を反映したモデリングを行なっている。バクテリアの方向自由度を十分に表現するため、前年度の格子モデルから方針を変更し、今年度は連続空間、連続時間モデルを構築した。バクテリアの棒状形状による整列相互作用を表現するため自己駆動ロッドモデルを採用した。粒子はネマティック相互作用により近隣の粒子の平均方向に配向する。また各粒子は円形の排除体積を持つ。ラン・アンド・タンブル運動のパラメータは大腸菌の実験データに即して決定した。セルリスト法により1万個のオーダーの粒子によるクラスター形成を再現した。配向相互作用によりバクテリアは異方的な形状のクラスターを形成する一方、クラスター形成にかかる時間は増大することを確認した。また、排除体積相互作用はクラスターサイズおよびクラスターの形状異方性を抑制することが判明した。
(2) 遊泳バクテリアの集団運動
遊泳バクテリアのモデルとして、ソフトコアポテンシャルを持つ棒状粒子の多体シミュレーションを構築し、２次元におけるバクテリア乱流を再現した。セルリスト法を用いて1万個のオーダーの粒子の集団運動をシミュレートした。また、流動場とのカップリングを入れることでバクテリアの向きがそろいやすくなり、巨視的な配向秩序が発現することが判明した。
(3) 基板上バクテリアの滑走運動
屈曲性を持つバクテリアのモデルとして、多数の剛体棒セグメントを結合して曲げ弾性および自己駆動力を持たせた自己駆動フィラメントモデルを構築した。このモデルを用いて、基板上で壁と結合して密集したバクテリアの集団運動をシミュレートし、自発的なウェービングが集団的に起こることを確認した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
(1) 走化性によるクラスター形成のモデルに関しては、前年度に構築した格子モデルについて、実際のバクテリアの方向自由度を十分に表現していないという論文査読者からの指摘を受け、今年度は方針を変更して連続空間、連続時間モデルを構築した。これによって格子モデルで得られた配向相互作用および排除体積相互作用の効果を定性的に再現し、また実験で得られているパラメーターを採用することにより定量的なモデリングができた一方、研究成果発表の遅れにつながった。また、バクテリアの分裂による増殖については格子モデルから連続時空間モデルへの移行が完了しておらず、今後の課題として残っている。
(2) 遊泳バクテリアの集団運動については、当初の計画通り、セルリスト法を用いて数値計算アルゴリズムを高速化し、ワークステーションを導入して１万個オーダーのバクテリアのシミュレーションを行うことができた。これによりバクテリア乱流を再現した上、流体場とのカップリングを取り入れることで巨視的な配向秩序を持つバイオネマティック相も確認することができた。後者は計画以上の進展といえる。
(3) 基板上のバクテリアの滑走運動に関しては、当初の計画に沿って自己駆動フィラメントモデルの数値計算コードを実装し、１千個オーダーのバクテリアの集団運動をシミュレートすることができた。計画に沿ってフィラメントの軸方向に沿った運動をレプテーションアルゴリズムで実装したのに加え、横方向の波打ち運動をもモデル化することができた。ただし自由滑走のシミュレーションは高密度でジャミングが生じ、渦状パターンの再現には至っていない。一方、末端を固定したフィラメントの自己駆動による集団的なウェービングを確認することができたのは予定外の進展であった。
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| 今後の研究の推進方策 |
(1) 走化性によるクラスター形成のモデルについては、連続空間・連続時間モデルを拡張し、バクテリアの増殖を取り入れて多様な２次元集団パターンを再現する。バクテリアの運動速度、密度、走化性感受率をパラメータとした動的相図を作成する。また時間応答特性についても遅延時間、応答関数の形状を変えて、集団運動への影響を調べる。
(2）バクテリアカーペットの動的相転移に関しては、バクテリアの方向場を２次元的に制約したモデルを用いて、より実験に近い、チャネル状の閉塞流路内での流動パターンを解析する。基板からの距離に対する流れ場の強さの変化を既存の実験結果と比較し、バクテリアの不均一性や運動方向の制限による流れ場パターンへの影響を明らかにする。
(3) 遊泳バクテリアの集団運動については、流体力学相互作用の取り扱いを精密化し、近接した個体間では直接計算、遠方の個体間では流れ場をスペクトル法（高速 Fourier変換）により計算するハイブリッド法を採用する。固体壁との境界条件をモデルに取り入れ、バクテリアを容器内に閉じ込めた場合や障害物がある場合の集団運動を解析する。特に閉じ込めによるバクテリア乱流から渦状パターンへの変化、および複数の渦の相互作用によるカイラル秩序の破れなどをターゲットとする。
(4) 基板上のバクテリアの滑走運動に関しては、レプテーションアルゴリズムを改良し、高密度の場合の自由滑走のシミュレーションを行い、実験で見られている巨大渦パターンの再現を目指す。また、末端を固定したバクテリアのウェービングについて実験結果との比較を行い、個体長、屈曲長、密度、自己駆動力をパラメータとしてウェービングの振動数や波数の変化を解析する。
以上の研究課題の遂行のため、数値計算用ワークステーションを増強する。
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