非熱揺らぎの時空間スペクトル解析に基づく細胞質の非平衡挙動の解明

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細胞内部の物理環境のモデル系として細胞抽出液を用い、そのレオロジーと代謝活動との関係を調べた。抽出液の高分子濃度やATP濃度を制御しつつ、マイクロレオロジーによる力学特性の計測や吸光度測定、顕微鏡観察を行った。生細胞中では低周波数帯において揺動散逸定理が破れており、非熱揺らぎが存在する。他方で、細胞抽出液中の揺らぎは生細胞中の熱揺らぎよりもさらに小さかった。これは生細胞中では代謝由来の非熱揺らぎが細胞の粘弾性を低下（細胞質を流動化）させていることを示す。また、生体高分子濃度が生細胞に近い濃厚細胞抽出液のレオロジーの時間変化を測定した。生細胞内とは異なり、抽出液の粘弾性が試料作製後時間経過とともに変化するエイジング現象が観測された。さらに抽出液にATPを加えると、試料作製直後はATPを加えていない抽出液と比べ流動化し、生細胞と同程度の粘弾性を示した。しかしながら、時間経過とともにATPを加えなかった試料よりも粘弾性は急激に増大した。抽出液中の生体高分子は代謝活性を維持してATPを加水分解している。代謝活動によって試料作製直後の抽出液は流動性を保つが同時に、時間経過に伴うエイジングも促進されている。上記のレオロジー計測を行った際には、細胞質は均一性を保っていたが、さらに時間にわたり顕微鏡観察すると、巨視的に相分離し完全に白濁する。混み合いやゲル化による動力学の凍結により相分離の進行も抑制されるため、濃度を低下させた細胞質の顕微鏡観察と濁度測定を行い、試料がゲル化しつつ巨視的な相分離が進行する様子を観測した。細胞質はエイジング・相分離するが、生細胞内では代謝活動により逆行する若返り現象が起きて、エイジングと拮抗することで恒常性が維持されている。しかしながら抽出液のエイジングは、ATPを加えることで逆に促進された。これはガラスのエイジングが冷却速度に依存する機構で説明できる。