2020 Fiscal Year Annual Research Report
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
| Project Area | Information physics of living matters |
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| Project/Area Number |
19H05800
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
竹内 一将 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (50622304)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西口 大貴 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (20850556)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
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。
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| Strategy for Future Research Activity |
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。
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