ネットワーク型共同研究拠点を支える 人・環境と物質をつなぐイノベーション創出ダイナミック・アライアンス 研究者データベース

研究の背景自然界には数多くの微生物が生息しており、生態系の一部として重要な役割を担っている。顕微鏡で彼らを眺めてみると、自由に泳ぎ回ったり、コロニーを作ったりと、その生態は多種多様である。共通しているのは、外部環境に適応した生存戦略をとっている点である。高温・低温でよく増殖したり、光合成をしたり、嫌気性を持った微生物は細胞内部の代謝系が外部環境に適応していると言える。分子生物学によって代謝への理解が進んでいる一方で、微生物が実空間で生活している以上、水面・壁面といった境界条件や環境中の流れなど、力学的な外部環境が生態にもたらす影響も無視はできない。したがって微生物の生態は細胞内代謝のみならず、力学的視点から見ても最適化されているのでは？という疑問が出てくる。

Many microorganisms inhabit on Earth, playing a crucial role as part of the ecosystem. When observed under a microscope, their behaviors are diverse, such as swimming freely and forming colonies. What they all have in common is their survival strategies, adapted to external environments. Microorganisms that thrive in high or low temperatures, perform photosynthesis, or possess anaerobic properties can be said to have internal metabolic systems that adapt to the external environment. While molecular biology has advanced our understanding of metabolism, we cannot ignore the mechanical influences of external environments, such as boundary conditions like water surfaces and walls, or the flow within the environment, as microorganisms live in real-world. This raises the question: Is the ecology of microorganisms optimized not only at the level of cellular metabolism but also from a mechanical perspective?

上記の課題を解決するため、ライブセルイメージングと画像解析によって一細胞レベルで微生物の動向を定量化し、様々な物理モデルを使った観測結果の検証を通して、微生物生態の背景にある力学機構を明らかにする研究を行っている。例えば流体力学モデルを使うと、淡水性の繊毛虫が海に流されない要因は２つの力学条件に集約されることが分かる。ソフトマター物理学モデルを使うと、バクテリアコロニーは同一コロニー内でも柔らかい箇所と硬い箇所があることが測定できる。研究対象によってごとに適切な物理理論を使い分けることで、微生物が示す多様な生態現象にアプローチしている。

To address the above question, we are conducting research to quantify the behavior of microorganisms at the single-cell level using live-cell imaging and image analysis, and to uncover the mechanical mechanisms underlying microbial ecology by validating observational results with various physical models. For example, using fluid dynamics models, we have found that two mechanical conditions explain why freshwater ciliates are not swept into the sea. By applying soft matter physics models, we can measure that bacterial colonies have both soft and hard regions within the same colony. By appropriately selecting physical theories depending on the research subject, we approach the diverse ecological phenomena exhibited by microorganisms.