2017 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
| Project/Area Number |
16H04033
|
|---|
| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
竹内 一将 東京工業大学, 理学院, 准教授 (50622304)
|
|---|
| 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)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
|
| 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 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
平成29年度は、「構造物のない広域還流系の製作」「高密度菌集団における混み合い効果の定量」「二つの菌集団の増殖過程の観察」「チャネル内の二集団増殖過程の数値計算」を実行した。
支柱のない還流系の製作：セルロース膜を用いた従来の還流系では、柔らかな膜を支えるため、観察領域内に数十μｍ程度おきに支柱を立てる必要があり、菌集団を測定するうえでは障害物となっていた。そこで本年度は、セルロース膜に多孔性の金属膜や合成繊維膜を組み合わせることで、障害物のない広域の観察領域をもつ還流系を開発した。これにより、障害物の影響を排除した菌集団測定が可能となった。
高密度菌集団における混み合い効果の定量：前年度の研究で、大腸菌集団を非常に高密度まで増殖させると、混み合い効果により菌の運動が阻害されることを我々は見出していた。本年度は、画像解析による運動性の評価と時空間パターンの抽出、蛍光ビーズを用いた菌集団遊泳効果の計測、また蛍光蛋白質を発現した菌のトラッキングによる個体運動の計測を実行し、混み合い効果による運動阻害の定量評価に成功した。
二つの菌集団の増殖過程の観察：閉じた観察領域の還流系を用いて、中立的な力関係にある二つの大腸菌株を培養し、二集団が作る時空間パターンを観察した。特に、座屈不安定性により発生する境界線のフラクタルパターンを見出し、その特徴を定量した。また、観察領域の形状や還流方法を変え、パターンへの影響を評価した。
チャネル内の二集団増殖過程の数値計算：二集団増殖過程で期待される統計的特徴の予見を得るため、微小流路チャネル内の二集団競合過程を模したモデルを考案し、数値計算によってその統計的性質を測定した。結果、菌の増殖だけを考慮したモデルでは、自発的なレーン構造が出現し、チャネル断面ではそれがvoterモデルの特徴的秩序化過程を示すという非自明な事実を見出した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed 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、観察領域の形状を変えた様々な基板を製作し、菌集団ダイナミクスに及ぼす影響を評価すること、菌集団モデルの数値計算を行い実験との比較や基板設計への指針を得ること、高密度菌集団の混み合い効果を定量計測すること、支柱のない還流系の試作を行うこと等であった。「研究実績の概要」で述べたように、これら計画の主要部分は全て達成された。さらに、菌集団モデルの数値計算では、自発的に現れるレーン構造がvoterモデルの特徴を有するという、予期せぬ知見を得ることができ、その理論的理解にも成功した。支柱のない還流系の試作は、様々な方策のテストにより、支柱のない還流系を実現し、菌集団を安定して培養できることも確認した。これらは年度当初の計画には含めていなかったことであり、本研究は当初の計画以上に進展していると考えている。
|
| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度までの研究の結果、多孔質膜の工夫によって、還流系の観察領域の広域化、特に支柱の除去に成功した。平成30年度は、改良した還流系における大腸菌の増殖状況を検討し、多孔質膜の最適化、またガラス基板のコーティングの条件検討を行う。
還流系における高密度菌集団の観察に関しては、平成29年度までの研究により、増殖によって高密度化した菌集団では、運動が阻害され、柱などの障害物がなくても、空間的に不均一な構造の混み合い効果が出現することが明らかとなった。そこで平成30年度は、一定の菌密度条件のもとで実験を行ない、出現する不均一性の定常状態の評価を行う。その結果から、二集団の中立的生態系実験に好適な条件の検討を行う。
二つの菌集団の測定については、平成29年度に実施した数値計算により、チャネル状の微小流路系でvoterモデルの秩序化過程の出現が判明した。平成30年度は、増殖以外の要素、例えば変異や異種間攻撃などを取り入れ、結果への影響を調査する。また、引き続き還流系実験の結果と比較し、実験的に、同様の統計的性質が出現する可能性について検討する。
また、平成29年度までの実験により、閉鎖空間において非運動性の大腸菌二集団が競合する場合は、座屈不安定性によるフラクタルパターンの出現を見出した。平成30年度は、ドレインの配置等を工夫して、より多彩な状況下での時空間ダイナミクスの検証を行う。
以上の実験系改良と観察結果を統合し、適宜数値計算も行って、二集団の中立的生態系に関する知見を蓄積する。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取り組む。また、本研究課題の成果を学会等で順次発表し、成果の周知に努める。
|
