生物に学ぶ自立分散システム

濵田研究室　HAMADA Laboratory
講師：永井 健（Ken H. Nagai）

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［研究分野］
生物物理、非線形科学
［キーワード］
ソフトロボット、生物運動、アクティブマター、自発運動、集団運動、自己組織化、散逸構造

研究を始めるのに必要な知識・能力

非線形科学、生物物理、ソフトマター物理を学んだことがあるとこれまでの研究内容が理解しやすいです。また、微生物の運動に関する実験経験や機械学習を使った画像解析、画像分類、時系列解析などの経験があれば、スムーズに研究が初められます。ただし、これらは必須ではなく興味がある方を歓迎します。

この研究で身につく能力

非線形科学、生物物理、ソフトマター物理の知見を使った生き物の研究手法や解析手法を学ぶことができます。また、化学・生物学やソフトロボット学の研究者と共同研究を行っており、様々な分野の研究手法を学ぶことができます。そして同時に多種多様な分野を融合させた研究の展開方法を学べます。

【就職先企業・職種】大学研究員、食品、化学

研究内容

　魚と鳥は異なる生物種であるにもかかわらず、群運動には同様の構造が見られます。このような自発運動する生物の集団と無生物の自走粒子の集団とを統一的に記述できることが明らかになってきました。本研究室では様々な生物集団の中にある統一原理を明らかにしつつ、その原理を利用した無生物の自走粒子からなる自立分散システムの実現を試みています。そして、ソフトロボット学の研究者と共同でそのシステムを用いた機能実現を目指しています。具体的には下のような研究を行っています。

1．生物の運動

　様々な生物運動を観察および解析し、普遍則を幾つか明らかにしてきました。例えば大腸菌を使い、理論的に予言されながら20年以上現実の実験系では見られていなかった幾つかの普遍則の観察に成功しました。また、線虫とシアノバクテリアの集団運動の研究を進めており、これらの異なる生き物の集団運動が共通の数理モデルで記述できることを明らかにしつつ有ります。2019年に発表した線虫に関する研究結果はNHKなどの大手メディアで報道されるなど大きな注目を浴びています。
　今後は統一原理の研究を続けながら、生物集団の運動制御について研究していく予定です。これまでに光遺伝学を用いて線虫集団に光刺激に対する応答性をもたせることに成功しています。また、植物の遊泳微生物であるクラミドモナスを用い、光刺激を通じた遊泳の制御を試みています。これらの運動の刺激応答を数理モデルのシミュレーションを使って予想し、実際の応答挙動と比較しながら制御アルゴリズムを組み立てていきます。

2．無生物の自走粒子

　生物の集団運動の統一原理を使った自律分散システムを実現するために、様々な無生物で自発運動する系を研究しています。
　これまでに脂質の自己組織化構造である人工細胞膜や水性ゲルの交流電場による自発運動を実現しました。また、ガラスに固定されたモータータンパク質に駆動される棒状タンパク質の集団運動を研究し、線虫など幾つかの生物集団と同様の構造を作ることを明らかにしました。モータータンパク質はマイクロメートルスケールで大きな力を出すことができる数少ない材料の一つです。生き物集団の研究を応用し、棒状タンパク質を使った微小空間での効率的な物質分配などの機能実現を目指します。

主な研究業績

1. T. Sugi, H. Ito, M. Nishimura, and K. H. Nagai, C. elegans collectively forms dynamical networks. Nat.Commun. 10, 683 (2019).
2. K. H. Nagai, et al., Collective Motion of Self-Propelled Particles with Memory. Phys. Rev. Lett., 114, 168001 (2015).
3. Y. Sumino, et al., Large-scale vortex lattice emerging from collectively moving microtubules. Nature, 483, 448–452 (2012).

使用装置

蛍光顕微鏡、位相差顕微鏡、実体顕微鏡
生物培養装置
大規模計算機