Diffusion Phenomena in Cells: Superstatistical Diffusion Theory and Formal Analogy between Diffusivity and Thermodynamics

细胞内的扩散现象：超统计扩散理论以及扩散率与热力学之间的形式类比

• 批准号: 21K03394
• 负责人: 一刀 祐一
• 金额: $ 0.83万
• 依托单位: Aichi Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K03394/
• 关键词: 異常拡散; 揺らぐ拡散性; 熱力学; 非平衡複雑系; 弱い揺らぎ相関; 条件付きエントロピー; 超統計; 複雑系; 揺らぎ; 弱い相関

２年目の令和４年度は、主に以下のふたつの実績が得られた。ひとつは、細胞内のRNA分子の異常拡散における揺らぐ拡散性と熱力学との間の形式的類似性の基礎についてである。初めに、前段的研究に基づき、揺らぐ拡散係数の平均値を内部エネルギーの類似物とみなし、揺らぎが互いに無限小に異なる状態間でこの平均値の微小変化を調べた。拡散係数とその揺らぎ分布の微小変化をそれぞれ仕事と熱量の類似物と同定し、熱力学第１法則の類似物を評価した。また、関連する実験に基づき、拡散係数の温度への比例係数（Einstein関係式）が外部パラメーターに類似する役割を吟味した。次に、熱力学第２法則の類似物を研究すべく、拡散係数揺らぎに関連するKullback-Leibler相対エントロピーを導入し、Clausius不等式の観点から拡散係数揺らぎのエントロピーと熱量（類似物としての）との間に成立する関係を調べた。もうひとつは、弱い揺らぎ相関を伴う非平衡複雑系に対する条件付きエントロピーのアプローチについてである。これは本研究課題に間接的に関連する。長時間スケール上で時空的に揺らぐふたつの量の間の「弱い相関」を伴う非平衡複雑系において、条件付き揺らぎに対する最大エントロピー原理から揺らぎ分布が弱い相関によって決定されるという結果を得た。与えられた逆温度での拡散指数揺らぎに注目し、この結果をDNA結合タンパク質の細胞内拡散において例証した。同様に、さらなる可能な例証を共通の揺らぐ拡散性を呈する膜を欠く細胞小器官及びビーズの細胞内拡散に対して提示した。これらの成果を学術論文としてOpen Accessの学術雑誌に出版した。なお、初年度に研究した超統計的拡散理論について、ベルリン自由大学（ベルリン、ドイツ）のセミナーで招待講演し、ドイツ物理学会（レーゲンスブルク、ドイツ）でも講演した。

In the second year of the order and the fourth year, に, the main に, the following ふた, ふた, <s:1>, actual achievements が, られた. ひ と つ は の RNA molecule, cell abnormal の company, scattered に お け る 揺 ら ぐ company, divergence と thermodynamics と の の form of similarity between の based に つ い て で あ る. Early め に, earlier research に づ き, 揺 ら ぐ の company, dispersion coefficient on average numerical を internal エ ネ ル ギ ー の analogue と み な し, 揺 ら ぎ が mutual い に infinitesimal に different な る state between で こ の on average numerical の tiny variations change を adjustable べ た. Distribution company, dispersion coefficient と そ の 揺 ら ぎ の tiny variations change を そ れ ぞ れ shi matter と heat の analogue と with し, thermodynamics first law の analogue を review 価 し た. ま た, masato す る be 験 に base づ き, company, dispersion coefficient の temperature へ の ratio (Einstein masato type) が external パ ラ メ ー タ ー に similar す る service cut を recite with relish し た. に, second law of thermodynamics の analogue を research す べ く, company, dispersion coefficient 揺 ら ぎ に masato even す る Kullback Leibler - phase エ seaborne ン ト ロ ピ ー を import し, Clausius inequality の 観 point か ら company, dispersion coefficient 揺 ら ぎ の エ ン ト ロ ピ ー と heat (analogue と し て の) と の に established between す る masato is を adjustable べ た. も う ひ と つ は, weak い 揺 ら ぎ phase masato を with う non-equilibrium 雑 series に す seaborne る conditions pay き エ ン ト ロ ピ ー の ア プ ロ ー チ に つ い て で あ る. The に of this research topic has an indirect に connection する. で spacetime on long ス ケ ー ル に 揺 ら ぐ ふ た つ の quantity の の between "weak phase masato い" を with う non-equilibrium 雑 series に お い て, conditions, pay き 揺 ら ぎ に す seaborne る biggest エ ン ト ロ ピ ー principle か ら 揺 ら ぎ phase distribution が weak い masato に よ っ て decided さ れ る と い た を う results. With え ら れ た inverse temperature で の company, dispersion index 揺 ら ぎ に attention し, こ の results を dna-binding タ ン パ ク qualitative の cells scattered に company お い て example し た. With others in に, さ ら な る may な common example を の 揺 ら ぐ company, divergence を show す を owe く る membrane cells small organ and び ビ ー ズ の cells scattered に company polices し て prompt し た. Youdaoplaceholder6 れら <s:1> achievements を academic papers と て てOpen Access <s:1> academic 雑 journal に publication た た. な お, at the beginning of year に research し た super statistical theory of company, scattered に つ い て, ベ ル リ ン free university (ベ ル リ ン, ド イ ツ) の セ ミ ナ ー で entertaining speeches し, ド イ ツ institute of physics (レ ー ゲ ン ス ブ ル ク, ド イ ツ) で も speech し た.

项目成果

ロンドン大学クイーン・メアリー校(英国)

伦敦大学玛丽女王学院（英国）

Superstatistics of protein diffusion dynamics in bacteria

细菌中蛋白质扩散动力学的超统计

• 发表时间: 2022
• 作者: Tamura Kensuke;Shirai Tatsuhiko;Katsura Hosho;Tanaka Shu;Togawa Nozomu;Yuichi Itto
• 通讯作者: Yuichi Itto