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研究背景

自然界ではしばしば、鳥や魚などの生物が多数集まることで群れを成し、集団秩序を形成します。そのような自発的に運動する機構をもつ物質群をアクティブマター(注1)と呼びます。アクティブマターとしてよく知られる遊泳微生物のバクテリアは、高密度になると多数の渦が出現する集団運動(注2)や、乱流のような複雑な流れ(アクティブ乱流)をつくることが知られています。ミクロな運動、中間サイズの渦ペアの秩序形成、マクロな集団運動が複雑に相互作用するアクティブマターには謎が多く、その物理法則の理解と集団運動の制御に向けて世界中で研究が行われています(図1)。
これまでに、アクティブマターの運動や向きの性質を変えることで、集団運動に及ぶ影響が調べられてきました。しかし、自然界に広く見られる集団運動を理解するという点では、遊泳微生物、鳥や魚、そして私たち人間にも備わる、ある重要な性質が十分に考えられていませんでした。その性質とは、アクティブマターの利き手、キラリティー(注3)です。

研究内容

私たちの右手と左手が回転させても同一にならないように、物体を鏡に写した時に、その像と重ね合わせることができない性質をキラリティー(または鏡像対称性の破れ)といいます。水中を泳ぐバクテリアは鞭毛を回転させることで水中を泳ぎますが、直進する際の鞭毛の回転方向が決まっているために遊泳方向が左右でわずかに偏りが生じる「運動のキラリティー」が知られています。バクテリアのみならず、私たちの体を構成する細胞の形や動き、細胞内の物質運搬を支えるタンパク質の運動にもキラリティーがあります。したがって、運動のキラリティーが集団運動や乱流構造にどのような影響を与えるかを明らかにすることは、生物学にも発展する重要な課題といえます。しかし、測定手法が未発達であったため、運動のキラリティーと集団運動の関係は十分に理解されていませんでした。

そこで本研究では、Polydimethyl siloxane(PDMS)で作られた円筒型のマイクロウェルにバクテリアを封入し、上面をミネラルオイルで封じる独自のマイクロ流体デバイス(注4)を開発しました。側面は滑らかでバクテリアの運動方向に偏りを生むことはありません。ところが、このバクテリア集団では、渦運動の回転方向が95%もの確率で反時計回りになることを発見しました(図2)。マイクロウェルの半径を大きくしても、壁際(端)を泳ぐバクテリアは反時計回りの集団運動を示すことから、自発的にキラルな渦運動(キラル渦)が出現することがわかりました。キラル渦の回転方向は、個々のバクテリアのキラルな運動方向と一致しており、集団運動に運動のキラリティーが反映されたものと考えられます。さらに、バクテリア集団を円環状のマイクロチャネルに封じ込めたところ、チャネルの曲率によらない安定な流れが壁面(端)に沿って生み出されることから、この集団運動を「エッジカレント(端の流れ)」と名付けました。エッジカレントは決まった方向に流れており、外側の端では反時計回りに、内側の端では時計回りにと、運動のキラリティーを反映したものであることが明らかとなりました(図3)。

このエッジカレントは壁に沿って起こるため、多数のキラル渦が相互作用する状況で重要な役割を果たします。2つのキラル渦が相互作用するマイクロウェル(半径Rの2つの円が、中心間距離Δを隔てて重なる形状、 図4)において、同方向回転の渦ペアパターンが支配的に出現し、同じ方向に渦運動を続けるパターンを安定化することを見出しました(図4)。この同方向の渦運動を維持する要因が、エッジカレントによる安定化であることを、Vicsekモデル(注5)による理論解析から明らかにしました。これらの結果は、運動のキラリティーが集団運動を制御する重要なファクターとなることを意味しています。

近年、アクティブマターの集団運動の理解と制御は、物理学, 工学, 生命科学で注目を集める重要な研究領域となっています。本研究で注目した運動のキラリティーは、バクテリアのみならず真核細胞や動くタンパク質、自発的に運動する微粒子など、広くアクティブマターに見出されるものです。エッジカレントの発現機構とその普遍性を明らかにすることで、アクティブ乱流のように複雑な物理現象の解明に新たな展開をもたらすと期待されます。応用面においても、キラル渦による物質攪拌およびエッジカレントによる物質輸送を行う新たなマイクロ流体デバイスの開発や、液体中を泳ぐマイクロロボット集団の自律的制御などの物質輸送工学の発展にもつながると考えられます。