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メインコンテンツにスキップ グローバルメニューにスキップ | フッターにスキップ メニューボタン 対象者別 ">入学希望の方">卒業生の方">地域・一般の方">企業・メディアの方">在学生">教職員 探す アクセス Language JP EN TOPニュース・イベント【研究成果発表】構造流体中のマイクロスイマーの遊泳原理を解明：ゼリーの中で泳ぐにはhttps://www.tmu.ac.jp/news/topics/18668.html 2018.08.29 【研究成果発表】構造流体中のマイクロスイマーの遊泳原理を解明：ゼリーの中で泳ぐには 報道発表 　首都大学東京・理学研究科・化学専攻の安田 健人（やすだ けんと）大学院生と好村 滋行（こうむら しげゆき）准教授、岡山大学・異分野基礎科学研究所の岡本 隆一（おかもと りゅういち）講師らの研究グループは、高分子ゲルや高分子溶液に代表される構造流体中のマイクロスイマーの遊泳機構について調べ、スイマーの遊泳速度と剛体球の抵抗係数を結びつける関係式を理論的に導出しました。　マイクロスイマーは、バクテリアや精子など、流体中を遊泳するミクロン程度の大きさの微生物や生命体を意味します。本研究で得られた関係式により、構造流体中でマイクロスイマーが遊泳するときには、スイマーの形状変形の時間反転対称性を破るか、もしくはスイマーの構成要素の構造対称性を破るかの二通りの機構が存在することがわかりました。さらに、マイクロスイマー自身の大きさと、構造流体がもつ特徴的な長さ（例えば高分子ネットワークの網目サイズ）の間の相対的な大小関係に応じて、スイマーの遊泳速度が形状変形の周波数やスイマーの大きさに様々な形で依存することも明らかになりました。 ■ 本研究成果は2018年8月27日付で、ヨーロッパ物理学会が発行する英文レター誌 Europhysics Letters （EPL）誌に掲載されました。 図１：高分子ゲルなどの構造流体中を遊泳する微生物やマイクロスイマー。左の高分子ゲルの網目サイズは微生物よりも大きいが、右の高分子ゲルの網目サイズは微生物よりも小さい。このような網目サイズの違いによって、微生物の遊泳挙動が異なることが予測される。 背景 　マイクロスイマーの研究は、バクテリアや精子などの微生物の流体内運動との関連で注目を集めています。一般的に、マイクロスイマーはその可動部位を周期的に形状変形させることで前進します。水のような粘性流体中のスイマーの運動に関しては、Purcellによって提唱された「ホタテ貝の定理」と呼ばれる運動学的な制約があることが知られています。 　この定理によると、慣性が無視できる微小な物体は、往復的な形状変形をする（すなわち形状変形の時間反転対称性が保持されている）限り、変形によって移動しても、一周期後には再び元の位置に戻ってしまいます。そのため、粘性流体中でマイクロスイマーが遊泳するためには、何らかの時間反転対称性を破る形状変形が必要となります。2004年にNajafiとGolestanianによって考案された「三つ玉スイマー」は、粘性流体中で並進運動を獲得するミニマムモデルになっています。三つ玉スイマーは二つの可動アームをもち、アーム運動の時間反転対称性を破ることで一方向に遊泳することができます。　これまでのマイクロスイマーの研究において、周囲の流体は空間的な不均一性をもたない一様な流体であるとされてきました。しかし、一般に微生物の遊泳環境は水のようなさらさらの粘性流体ではなく、高分子ゲルや高分子溶液に代表される「ソフトマター」である状況が多く見られます。例えば、女性の生殖管の内部において、哺乳動物の精子は非常にねばねばした子宮頸管粘液の中を移動することが知られています。ソフトマターのねばねば・どろどろとした性質は一般に「粘弾性」と呼ばれ、液体としての粘性と固体としての弾性を兼ね備えていることを意味しています。　ソフトマターが粘弾性的な挙動を示す理由は、物質中にミクロとマクロの中間的な構造が存在するからです。ゼリーなどの高分子ゲルは、架橋された高分子の三次元的な網目構造から成り、その内部に水分を吸収して膨潤します（図１）。この場合、高分子ネットワークの網目サイズが中間的な構造に対応します。網目サイズより十分に小さい空間スケールでは水の液体的性質しか見えませんが、それよりも十分に大きい空間スケールでは高分子ネットワークの弾性的性質が顕著になります。言い換えると、高分子ゲルは網目サイズ程度の空間的な不均一性をもっており、このような物質は一般に「構造流体」とも呼ばれます。 研究成果 　首都大学東京・理学研究科・化学専攻の安田 健人大学院生（日本学術振興会・特別研究員DC1）、好村滋行准教授と岡山大学・異分野基礎科学研究所の岡本 隆一講師らの研究グループは、高分子ゲルや高分子溶液に代表される構造流体中のマイクロスイマーの遊泳機構について理論的に考察しました。 　具体的には、構造流体中の剛体球の抵抗係数（剛体球にはたらく力と速度の比例係数であり、周囲の構造流体の粘弾性に関する情報が反映される）を三つ玉スイマーに適用することで、スイマーの遊泳速度と剛体球の抵抗係数を結びつける一般的な関係式を導出しました。この関係式によると、三つ玉スイマーが構造流体中で運動するには、二つのアームの周期運動が位相差をもつように時間反転対称性を破るか（粘性的機構）、もしくは二つのアームの振幅が異なるように構造対称性を破ること（弾性的機構）が必要となります。 　特に後者の弾性的な遊泳機構は新しい発見であり、構造流体中の三つ玉スイマーは、たとえそのアーム運動の時間反転対称性が保持されていても、アーム運動の振幅が異なれば、構造流体中を遊泳可能であることが理論的に示されました。言い換えると、構造流体中の三つ玉スイマーでは、必ずしも「ホタテ貝の定理」が成り立たないことになります。 　背景で述べたように、構造流体の特徴は物質中に空間的な不均一性が存在することであり、その不均一性はミクロとマクロの中間的な長さによって特徴付けられます。そのため、マイクロスイマー自身のサイズと構造流体の特徴的な長さの大小関係に応じて、異なる遊泳挙動が見られることが予想されます（図１）。研究グループは、構造流体の代表例として高分子ゲルを取り上げ、その中での三つ玉スイマーの遊泳挙動を詳細に調べました。高分子ゲルの運動を理論的に記述するために、de Gennes（1991年ノーベル物理学賞受賞）らによって提唱された「二流体モデル」という数理モデルが用いられました。 　研究グループが得た三つ玉スイマーの速度表式には一般性がありますが、スイマー自身のサイズがゲルの網目サイズよりも十分大きい場合と小さい場合については、遊泳速度の具体的な数式表現が得られました。遊泳速度の周波数依存性が変化する特徴的な周波数は、高分子ゲルの網目サイズに強く依存することがわかり、そこに構造流体の性質が反映されます。また、遊泳速度が剛体球の大きさに比例しない場合もあり、これは均一な流体では決して見られない効果になっています。 　さらに興味深い結果は、スイマーサイズが十分大きい時、遊泳速度の粘性的寄与がアーム運動の周波数の増加とともに減少する領域が存在することです。これは、特徴的な緩和時間をもつ構造流体において、三つ玉スイマーのアーム運動の周波数を大きくすればするほど、遊泳速度は却って遅くなる場合があることを意味しています。 　これらの結果は、首都大学東京の同研究グループが2017年にJournal of the Physical Society of Japanに発表した内容をさらに一般化したものになっています。今後は、構造流体中における能動的な物質輸送という、より広い観点からの基礎的な研究のきっかけになることが期待されます。 波及効果と今後の展望 　一般に微生物が遊泳する環境は水のような粘性流体ではなく、高分子ゲルや高分子溶液に代表されるソフトマターである場合が多く、これらの構造流体は一般に粘弾性的な振る舞いを示します。このたび構造流体中の三つ玉スイマーの遊泳で得られた知見によると、ソフトマター中の微生物の遊泳には粘性的機構と弾性的機構があり、これらがソフトマターの中間構造に大きく影響を受けると考えられます。これらの遊泳機構の存在は、構造流体中のバクテリアの運動や、細胞の鞭毛運動、繊毛の波打ち運動などを理解するための重要な視点になると予想されます。逆に微生物の運動様式を調べることによって、微生物が生息する流体の不均一構造に関する情報を得ることも可能となります。 　微生物よりもさらに小さなスケールに注目すると、例えば細胞内のように多数の生体分子で混み合った環境も一種の構造流体とみなすことが可能であり、細胞中の物質輸送に大きな影響を及ぼします。これまでの細胞内物質輸送に関する研究では、どちらかと言えば、輸送を担っているタンパク質の構造や機能に注目が集まっていましたが、本論文ではこれらのタンパク質が動作する細胞内環境の中間的構造の重要性を指摘しています。逆に細胞内溶液の空間的な不均一性や中間的構造を変化させることによって、細胞内の物質輸送を制御することが可能となります。 　一方、構造流体中の遊泳機構を解明することは、我々の日常生活における巨視的な現象においても役立つと考えられます。近年、日本を含む世界中において、異常気象にともなう大規模な自然災害が増えています。火砕流や土石流、泥流などは多くの混合物を含むマクロな構造流体とみなすことができ、このような流体中を推進する救助ロボットなどを設計するためには、本論文で解明された遊泳機構が重要な指針になると考えられます。 その他 　本研究は文部科学省と日本学術振興会による科学研究費補助金事業（特別研究員奨励費「ソフトマター中のマイクロマシンの遊泳と拡散」18J21231および基盤研究（C）「ソフトマター中のマイクロマシンの非平衡ダイナミクス」18K03567）の助成を受けました。 書誌情報 掲載誌：Europhysics Letters, Vol. 123 (2018) 34002 論文タイトル：A three-sphere microswimmer in a structured fluid 著者：Kento Yasuda, Ryuichi Okamoto, and Shigeyuki Komura http://iopscience.iop.org/article/10.1209/0295-5075/123/34002 報道発表資料(463KB) お問合せ先 【研究に関すること】 首都大学東京 大学院理学研究科 准教授　好村 滋行（こうむら しげゆき） 電話：042-677-2537　　電子メール：&＃x6b;&＃x6f;&＃x6d;u&＃114;a@&＃116;&＃x6d;u&＃46;&＃x61;&＃x63;&＃x2e;&＃106;&＃x70; 【大学に関すること】 首都大学東京 管理部 企画広報課 広報係 電話：042-677-1806　　電子メール：&＃x69;nfo&＃64;&＃106;m&＃x6a;.&＃x74;m&＃x75;.a&＃x63;&＃x2e;&＃x6a;&＃x70; 元のページに戻る 最新のニュース 2024.05.29 お知らせ 【重要】2024年度前期　一般学生　授業料減免申請 追加申請受付について 2024.05.24 お知らせ 【研究発表】一度の激しい運動がその後の身体活動量と体温を下げ体重を増やしてしまう 2024.05.17 お知らせ 【研究発表】溶液と固体の状態で円偏光を発光するキラルな亜鉛錯体の開発に成功－溶液と個体とで円偏光の回転方向が反転　新たな発光デバイスへの応用に期待－ 2024.05.16 お知らせ 【研究発表】過去77年間の小笠原諸島の植生変化を解明 －過去の人為的攪乱の履歴が、生態系の復元可能性に影響－ 2024.05.13 お知らせ 【研究発表】電気を流し、室温強磁性を示す希土類酸化物を発見－スピントロニクス材料としての応用に期待－ Page top 大学について学部・大学院教育の特長研究・産学公連携国際展開・留学学生生活・キャリア入試案内キャンパス・施設案内ニュース・イベントHOT TOPICS教員紹介 入学希望の方卒業生の方地域・一般の方企業・メディアの方在学生教職員 お問い合わせ関連リンクサイトマップサイトポリシープライバシーポリシーソーシャルメディアポリシーWEBマガジンメトロノワ調達・契約情報 ©2024 Tokyo Metropolitan Public University Corporation Follow Us都立大X都立大Channel Open/Close大学についてOpen/Close大学の目的・使命学長メッセージ学長メッセージ ＜メディア＞TMU Vision 2030Open/Close大学概要沿革組織図センター・機構学生数教職員数学則・規則施設概要設置認可申請書等東京都立大学の評価活動について数字で見る東京都立大学動画で見る東京都立大学シンボルマーク大学の校歌Open/Close教育情報の公表大学の教育研究上の目的・３ポリシー教育の3つのポリシー（学部）教育の3つのポリシー（大学院）教育研究上の基本組織アセスメント・ポリシー大学院（専門職大学院を除く）の学位論文審査基準授業に関すること成績評価基準、卒業・修了認定基準等メディア掲載Open/Close学部・大学院人文社会学部法学部経済経営学部理学部都市環境学部システムデザイン学部健康福祉学部Open/Close大学院 研究科・専攻一覧人文科学研究科法学政治学研究科経営学研究科理学研究科都市環境科学研究科システムデザイン研究科人間健康科学研究科大学院分野横断プログラム再編前の学部・大学院Open/Close教育の特長Open/Close革新的なカリキュラム基礎科目群教養科目群基盤科目群キャリア教育・インターンシッププログラム文理の枠を超えた履修推奨科目副専攻グローバル教育教職課程・学芸員養成課程文理教養プログラム学びのスタイル副専攻教職課程・学芸員養成課程教育基盤強化事業Open/Close教育改革推進事業首都大学東京 教育改革推進事業 FD活動都立大の教学IR ~Institutional Research~ベスト・ティーチング・アワードOpen/Close研究・産学公連携Open/Close研究センター、リサーチコア宇宙理学研究センター生命情報研究センター水道システム研究センター子ども・若者貧困研究センターソーシャルビッグデータ研究センター金融工学研究センター水素エネルギー社会構築推進研究センター医工連携研究センター量子物質理工学研究センターエネルギーインテグリティーシステム研究センター島嶼火山・都市災害研究センターコミュニティ･セントリック･システム研究センター言語の脳遺伝学リサーチコアサービスロボットインキュベーションハブリサーチコア（略称：serBOTinQ)高度研究東京都立大学 若手研究者等選抜型研究支援特別栄誉教授等制度・特別招聘教授制度共同研究・受託研究・学術相談・特定研究寄附金知的財産大学等発ベンチャー支援産学公連携スペース TMU Innovation Hub研究力強化推進プロジェクトローカル5G環境を活用した最先端研究都立大の先端研究に迫る傾斜的研究費一覧Open/Closeコンプライアンス・内部統制研究費の不正使用防止に対する取組（相談窓口・通報窓口の案内はこちら）研究活動の不正行為等防止に対する取組（通報窓口の案内はこちら）研究倫理利益相反マネージメント安全保障輸出管理Open/Close国際展開・留学多彩な留学制度／留学プログラムグローバル人材育成についてGlobal Discussion Camp（GDC）国連アカデミック・インパクト外国人留学生支援Open/Close国際交流協定協定校一覧（全学）(250KB)協定校一覧（部局間）(346KB)国際化基本方針国際化推進体制理学部生命科学科　英語課程 英語で学位が取得できるプログラムPickup！都立大の国際化 「東京都立大学ならではの体験ができる交換留学制度――異文化を肌で感じた記憶はその後の人生を変える」By 朝日新聞Thinkキャンパス広告記事Open/Close学生生活・キャリアOpen/Close学修サポート学生の修学支援主体的学修支援セミナーTA（ティーチングアシスタント）等Open/Close学生サポート学生相談室保健室ダイバーシティ推進室ボランティアセンター保険の加入学生課Open/Close施設の利用図書館連絡バス美術館の無料入場等学生寮などOpen/Closeキャンパスライフ学生広報チームpresents動画クラブ＆サークルFIND YOURSELF AT TMU(2.2MB)都立大生の1日VLOG！理系・文系の学生比べてみたBy朝日新聞YouTubeチャンネル【土佐兄弟の大学ドコイク】Open/Closeキャリア・就職キャリア支援・各種サポートキャリア支援課大学院進学Pickup！キャリア支援 「1年次から履修可能な現場体験型のキャリア授業で、未来の自分を考える」By 朝日新聞Thinkキャンパス広告記事学費・減免制度・奨学金制度等Open/Close入試案内Open/Close学部入試アドミッション・ポリシー学部入試概要【2024年5月24日更新】外部英語検定試験の利用について（2025年度以降一般選抜）インターネット出願入学者選抜要項・学生募集要項入試Q&A一般選抜の入試結果【2024年5月27日更新】(133KB)多様な選抜の入試結果【2024年4月26日更新】(146KB)募集人員【2023年7月7日更新】(313KB)オープンキャンパス・説明会資料請求・お問い合わせ入学考査料・入学料・授業料Open/Close学部入試制度改正2024年度2025年度2026年度Open/Close大学院入試大学院のシステムアドミッションポリシー大学院入試概要大学院学生募集要項大学院進学後の進路状況入学考査料・入学料・授業料資料請求・お問い合わせ大学案内・大学院案内Open/Closeキャンパス・施設案内キャンパスマップCampus Gallery図書館光の塔牧野標本館交通アクセスエコキャンパス・グリーンキャンパス電力使用状況イベントカレンダー教員紹介 入学希望の方卒業生の方地域・一般の方企業・メディアの方在学生 お問い合わせ関連リンクサイトマップサイトポリシープライバシーポリシーソーシャルメディアポリシーWEBマガジンメトロノワ調達・契約情報 JP EN Follow Us都立大X都立大Channel