Non-equilibrium mechanics of cellular symmetry and migratory principle by active gel physics

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細胞はエネルギーを消費し，変形しつつ自律的に運動する複雑な分子システムである．本研究ではアクチン細胞骨格とミオシン分子モーターのアクティブゲルを細胞サイズの油中液滴に封入し，その自律的運動の原理をマイクロ流体デバイスならびにソフトマター物理学の見地から明らかにする．これまでに脂質膜とアクトミオシンゲルとが接着する機能的膜界面を持つ人工細胞を構築し，アクトミオシンの収縮力が外部基盤に伝割自律的な運動が起こることを明らかにした．狭い空間に拘束された人工細胞の運動では，界面摩擦力と流体抵抗のバランスが運動速度を定め，効率的な力の伝達に外部環境と細胞表面の相互作用が不可欠であることを突き止め，本年度に論文発表を行った（PNAS 2022）．また，重要なことに運動の推進力は，アクトミオシンが波のように伝搬する「アクチン波」から伝達された摩擦力である．しかしアクトミオシン波の発生原理は十分な理解がなく，理論モデルの構築を通じて，細胞内空間において分子モーターの力が周期的アクチン波を形成するメカニズムの解明を目指した．細胞区画内の①アクトミオシン流動場の方程式，②細胞骨格の連続の式，③細胞の形を表す方程式の３つでアクティブゲルモデルを構築した．フェーズフィールド法を元に細胞区画を設定し，周期的なアクチン波が再現されるかを数値計算で検証したところ，ミオシンの収縮力とアクチン繊維の重合率を主要パラメータとして周期的アクチン波が現れる条件を突き止めた（Phys Rev Res 2023）.