2016 Fiscal Year Annual Research Report
還流系を用いた中立的生態系実験の実現とその統計力学的解析
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16H04033
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
竹内 一将 東京工業大学, 理学院, 准教授 (50622304)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
若本 祐一 東京大学, 大学院総合文化研究科, 准教授 (30517884)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 生物物理学 / 集団遺伝学 / 生態系 / 非平衡統計力学 / 微小流路 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成28年度は、空間的・時間的に均質な条件下での大腸菌集団の観察のための還流系の構築をはじめに行った。研究代表者（竹内）の研究室に微生物実験に必要となるオートクレーブやインキュベータ等の各種装置類を導入したのち、研究分担者（若本）および大学院生、技官と連携して、還流系に用いるガラス基板の設計と製作、その他微小流路の製作に必要な部品の準備等を行い、動作試験を完了した。また、実験に用いる菌株として、標準的な大腸菌株に蛍光タンパク質を発現させた菌株を用意した。以上の準備のもとで、大腸菌集団のタイムラプス観察を行い、基板形状、培地の流量、観察温度等を調整して、適切な実験条件を模索した。また、液体培地の代わりにモーティリティバッファを用いた場合の試験観察も行った。さらに、運動能や鞭毛の有無等の異なるいくつかの大腸菌株を用い、それが集団ダイナミクスの違いにどのように現れるかを観察した。
以上の調査の結果、大腸菌の増殖により密度が上昇するにつれて、混み合い効果が重要な影響を与えることが判明した。そこでその定量的調査を行うため、粒子画像流速測定法によって混み合い効果が形成される際の時空間ダイナミクスを測定した。また、流路内での大腸菌の統計的特徴、特に配向秩序や密度ゆらぎが、アスペクト比等の流路形状に依存するという理論の先行研究を受けて、その様相を実験的に測定するガラス基板を製作し、試験観察を行った。
また、二つの大腸菌集団の競合過程を模した単純なモデルを用いて、その時空間ダイナミクスのシミュレーションを行った。これにより、流路のアスペクト比が集団ダイナミクスに与える影響等について予見を得た。
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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
本年度はじめの計画で取り組むこととしていたのは、研究代表者（竹内）の研究室に本研究課題の遂行に必要な各種装置類を揃え、微生物実験に取り組む準備を行うこと、ガラス基板等の試作、観察に用いる大腸菌株の用意等を行い、還流系の構築とそれによる大腸菌集団の試験観察を行うこと、各種実験条件に対する観測結果の依存性などを比較検討して、適切な実験条件の絞り込みを行うこと、大腸菌株の運動能や増殖能を変化させたときの集団ダイナミクスへの影響を調査すること等であった。これらは全て実行することができたので、本研究課題は計画通り、順調に進捗していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度の研究で、還流系実験の各種試験等を行い、大腸菌集団の長時間観察を行う準備が整ったので、平成29年度以降はそれを実行し、観察された菌集団ダイナミクスを定量的に特徴づけることが目標となる。具体的には、流路のアスペクト比やドレイン流路の設置個所等を変えた観察基板を種々製作し、それが大腸菌の集団ダイナミクスに与える影響を系統的に評価する。また、離散要素法に基づく細胞モデルを使ったシミュレーションも行い、実験結果との比較や、適した基板形状のデザイン等も行う予定である。
また、平成28年度の研究で、菌の増殖によって菌密度が上昇するにつれて、混み合い効果が重要になることが明らかになった。そこで、ガラスやジャミング系に関する解析手法も取り入れて本現象を定量的に評価し、本実験のような生物系と粉体やガラスのような非生物系との共通点と相違点を調査する。
さらに、平成28年度の研究や、近年発表された関連研究の報告などによって、観察領域内に置かれている柱が大腸菌の運動に大きな影響を与えることが示唆されているため、大腸菌の閉じ込めに使われているセルロース膜を多孔性金属に置き換えるなどして、柱のいらない還流系の試作を行う。
以上の研究活動は、研究代表者（竹内）と分担者（若本）、および大学院生と技官が連携して行う。特に、ガラス基板の設計や製作、菌株の作成は主に若本研究室が行い、製作した基板を用いた還流系の構築、実験観察、解析は竹内研究室が中心になって取り組む。
また、本研究課題の成果を学会等で適宜発表し、成果の周知に努める。
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Research Products
(22 results)
