遊泳微生物における新たなキラル集団運動現象を発見

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遊泳微生物における新たなキラル集団運動現象を発見

　水中を泳ぐ微生物や魚のように、自律的に動き、群れや渦といった秩序だった集団運動を示す物質群をアクティブマター（注１）といいます。このような集団運動（注２）を理解し、複雑な動きや流れを操ることは物質輸送の制御という観点からも重要な課題であります。アクティブマターの性質として、運動方向にわずかな偏りがあり、左向きになる頻度と右向きになる頻度が等しくならない「運動のキラリティー（注３）」があることが知られていました。しかし、この性質が巨大な集団運動の形成にどのような影響を与えるのかは十分に理解されていませんでした。
　九州大学大学院理学研究院前多裕介准教授、別府航早同博士課程学生、Ziane Izri 同学術研究員（研究当時）、東京理科大学理学部第一部応用物理学科住野豊准教授らの研究グループは、九州大学大学院工学研究院山西陽子教授、佐藤匡同博士課程学生（研究当時）らと共に、遊泳微生物のバクテリアにおいて運動のキラリティーが誘起する新たな集団運動現象を発見しました。
　研究チームは独自のマイクロ流体デバイス（注４）を用いて、遊泳微生物のバクテリアを高密度に保ちながら円筒型マイクロウェル内に封入する技術を開発しました。すると集団運動は一方向（上から見て反時計回り）に定まったキラルな渦運動となることを発見しました。これはマイクロウェルの壁近傍で安定した流れ（エッジカレント）が出現することに起因し、複数のキラル渦が入り乱れる状況においても、エッジカレントが渦同士の回転方向を揃えることを明らかにしました。これらの結果は、群れとなり巨大な流れを安定化するために運動のキラリティーが重要であることを示しています。本研究で明らかにした新たなキラル集団運動の理解をもとに、水中を泳ぐマイクロロボットによる複雑な流れの制御や、運動のキラリティーで物質輸送を制御するデバイス設計への応用が期待できます。
　本研究成果は、2021年9月24日（米国東部時間）に米国科学雑誌「Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America」で公開されました。

用語解説

（注１）アクティブマター
自律的に動き、互いに相互作用しあう粒子の総称。小さくは微生物バクテリア、真核細胞、アリなどの昆虫、さらには魚や鳥、ヒツジやヒトなど大型動物も含む。近年は、自律的に運動するコロイド粒子も含み、生物・非生物を問わない広い概念となっている。
（注２）集団運動
鳥の群れや魚群の渦など、自律運動する物体・物質群（アクティブマター）が多数集まって、互いに向きを揃えるなどの相互作用をすることで出現する特徴的な運動様相。微生物バクテリアも集団で渦を形成し、多数の時計回り・反時計回りの渦から成る複雑な乱流様のパターンを出現させる。
（注３）キラリティー
人間の手のひらのように、元の物体と鏡に写した鏡像とが重なり合わない（鏡像対称性がない）性質。微生物バクテリア（本研究では大腸菌）は後ろから見て、鞭毛を反時計回りに回転させ、菌体を時計回りに回転させて泳ぐためキラリティーを有している。特に、界面近傍では、面を転がるように泳ぐことで、底面に対しては時計回りの軌道を描く。この運動に現れるキラリティーこそが、一方向の渦が出現する要因となる。
（注４）マイクロ流体デバイス
微細加工技術を利用して 100 万分の 1 メートル（マイクロメートル）～1 万分の 1 メートル（100 マイクロメートル）程の幅や厚みをもつ微小な流路や容器からなる小さなデバイス。透明で顕微鏡観察に適している。