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

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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。