非平衡輸送現象と流れの動的結合の解明：分子操作から分子整流へ

阐明非平衡输运现象与流动之间的动态耦合：从分子操纵到分子整流

基本信息

批准号：
17J03913
负责人：
福山達也
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-26 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17J03913/
关键词：
非平衡物理学輸送現象流体力学細胞集団運動非平衡統計力学

项目摘要

本研究の目的は温度勾配下における輸送現象から非平衡系における輸送現象の統一的理解である。これまでに温度勾配下において高分子水溶液中で起きる輸送について報告があったが、動く温度勾配下の輸送や流動現象については十分ではなかった。そこで我々は高分子PEG水溶液中で動く温度勾配を形成し、その動きとは逆向きに流動が生じることを発見した。さらに流速が温度に2次関数的に増加し、周波数に対し共鳴的になる新奇的な性質を見出した。これらのメカニズム解明のため、理論モデルを構築した。加熱による粘性変化と流体の圧縮が相乗的に流体を駆動することで2次関数的な温度依存性が生じる。さらに壁の粘弾性と高周波数側の温度差の減衰があることで、流速の共鳴的な振舞いが出てくる。この知見をもとに温度勾配が直線上を往復するときの流動と分子輸送を考察した。温度勾配は周期的に往復するが、加熱の周期が空間的に非対称であるため、流動の対称性も破れ内向きの流動が発生する。ここにDNAとPEG高分子があるとき、PEG濃度勾配で起きる拡散泳動によるトラッピングと内向きの流動によってDNAが中心に濃縮される機構を見出した。驚くことに、上記の流動現象と類似したものが細胞集団運動にも見られる。MDCK上皮細胞はERK分子の化学シグナルを細胞間で伝搬させており、シグナルと逆向きに集団運動する。我々は細胞集団を連続体とみなし、ERKシグナルによって基板への接着・密度が変化することを加味した理論モデルを構築し細胞集団運動のメカニズム解明を行った。集団運動速度もシグナル強度に2次関数的、伝搬速度に対し共鳴的になることがわかった。後者はシグナルのノイズをカットする生物学的に重要な機能に関わるものである。流動現象から細胞集団運動まで共通する数理的構造を見出したことは、外場下の粘弾性体の流動・輸送現象の一般的な理解に貢献するものである。

本研究的目的是从温度梯度下的输运现象开始，对非平衡系统中的输运现象有一个统一的认识。到目前为止，已有关于温度梯度下聚合物水溶液中发生的输运的报道，但关于移动温度梯度下的输运和流动现象还没有足够的信息。因此，我们在聚合 PEG 水溶液中产生了移动的温度梯度，并发现流动发生在与温度梯度相反的方向。此外，我们发现了一个新特性，即流速随温度呈二次方增加，并与频率发生共振。构建了一个理论模型来阐明这些机制。由于流体的加热和压缩而引起的粘度变化协同地驱动流体，从而产生二次温度依赖性。此外，由于壁的粘弹性和高频侧温差的衰减，出现流速的共振行为。基于这些知识，我们考虑了温度梯度沿直线来回移动时的流动和分子输运。温度梯度周期性往复，但由于加热周期在空间上不对称，流动的对称性也被打破，出现向内流动。当DNA和PEG聚合物存在时，我们发现了一种机制，其中DNA通过在PEG浓度梯度中发生的扩散电泳引起的捕获和向内流动而集中在中心。令人惊讶的是，在细胞集体运动中也观察到了与上述流动现象类似的现象。 MDCK 上皮细胞在细胞之间传播来自 ERK 分子的化学信号，并集体沿信号的相反方向移动。我们将细胞群视为一个连续体，构建了一个理论模型，考虑了 ERK 信号导致的对基质的粘附和密度的变化，并阐明了细胞集体运动的机制。研究还发现，集体运动速度与信号强度成二次方，并与传播速度共振。后者与消除信号中的噪声这一重要的生物学功能有关。从流动现象到细胞集体运动的共同数学结构的发现有助于对外部场下粘弹性体的流动和传输现象的一般理解。