バクテリア・コロニー
バクテリア・コロニーのパターン形成
栄養を含んだ寒天培地の表面に少数のバクテリアを接種すると、 発育と分裂を繰り返して膨大な数の密集した細胞の集まり（2次元的なコロニー） が形成されます。そのようにして得られるコロニーは、種や環境条件の違いによって様々な 振る舞いを我々に見せてくれます。例えば、Bacillus subtilis（枯草菌）の場合には、下図のモルフォロジー・ダイアグラムに示すように、 コロニーの振る舞いは寒天濃度と栄養濃度を環境パラメータとして5種類の特徴的なパターンに分類されます（A領域：自己相似フラクタル的な枝分かれ構造の“DLAパターン”、B領域：成長界面が自己アフィン・フラクタル的な特徴をもつ“Edenパターン”、C領域：成長界面が進行と停止を周期的に繰り返すことによって形成される“同心円状パターン”、D領域：“ディスク状パターン”、E領域：密集した枝構造の“DBMパターン”）。そして、これらパターンと類似のパターンが物理系や化学系など非生物系においても多く観察されていることから、系の詳細にはよらない普遍的なパターン成長メカニズムの存在が示唆されています。本研究室では、B. subtilisを始めとして、Proteus mirabilis、Serratia marcescens、Escherichia coli（大腸菌）、Pseudomonas_aeruginosa（緑膿菌）、さらにはそれらの突然変異株（ミュータント）を用いた実験を行い、それら微生物が形成するコロニー・パターンと物理系や化学系で見られる類似のパターンを比較することによって、 背後に潜むであろう普遍的なコロニー成長メカニズムを明らかにすることを目指しています。
論文：
R. Tokita, T. Katoh, Y.Maeda, J. Wakita, M. Sano, T. Matsuyama, and M.
Matsushita, "Pattern Formation of Bacterial Colonies by Escherichia coli"
J. Phys. Soc. Jpn. 78, 704005 (2009)
F. Hiramatsu, J. Wakita, N. Kobayashi, Y. Yamazaki, M. Matsushita, and
T. Matsuyama., "Patterns of Expansion produced by a Structured Cell
Population of Serratia marcescens in Response to Different Media"
Microbes Environ. 20, 120(2005)
Y. Yamazaki, T. Ikeda, H. Shimada, F. Hiramatsu, N. Kobayashi, J. Wakita,
H. Itoh, S. Kurosu, M. Nakatsuchi, T. Matsuyama, and M. Matsushita, "Periodic
growth of bacterial colonies"
PHYSICA D 205, 136(2005)
H. Shimada, T. Ikeda, J. Wakita, H.Itoh, S. Kurosu, F. Hiramatsu, M. Nakatsuchi,
Y. Yamazaki, T. Matsuyama, and M. Matsushita, "Dependence of Local
Cell Density on Concentric Ring Colony Formation by Bacterial Species Bacillus subtilis"
J. Phys. Soc. Jpn. 73, 1082 (2004)
K. Watanabe, J. Wakita, H. Itoh, H. Shimada, S. Kurosu, T. Ikeda, Y. Yamazaki,
T. Matsuyama, and M. Matsushita, "Dynamical Properties of Transient
Spatio-Temporal Patterns in Bacterial Colony of Proteus mirabilis"
J. Phys. Soc. Jpn. 71, 650 (2002)
J. Wakita, H. Shimada, H. Itoh, T. Matsuyama, and M. Matsushita, "Periodic
Colony Formation by Bacterial SpeciesBacillus subtilis"
J. Phys. Soc. Jpn. 70, 911 (2001)
H. Itoh, J. Wakita, K. Watanabe, T. Matsuyama, and M. Matsushita, "Periodic
Colony Formation of Bacteria due to Their Cell Reproduction and Movement"
Progr. Theor. Phys. Suppl. 139, 139 (2000)
T. Matsuyama, Y. Takagi, Y. Nakagawa, H. Itoh, J. Wakita, and M. Matsushita,
"Dynamic Aspects of the Structured Cell Population in a Swarming Colony
ofProteus mirabilis"
J. Bacteriol. 182, 385 (2000)
M. Matsushita, J. Wakita, H. Itoh, K. Watanabe, T. Arai, T. Matsuyama,
H. Sakaguchi, and M. Mimura, "Formation of colony patterns by a bacterial
cell population"
PHYSICA A 274, 190 (1999)
H. Itoh, J. Wakita, T. Matsuyama, and M. Matsushita, "Periodic Pattern
Formation of Bacterial Colonies"
J. Phys. Soc. Jpn. 68, 1436 (1999)
J. Wakita, I. Rafols, H. Itoh, T. Matsuyama, and M. Matsushita, "Experimental
Investigation on the Formation of Dense-Branching-Morphology-like Colonies
in Bacteria"
J. Phys. Soc. Jpn. 67, 3630 (1998)
M. Matsushita, J. Wakita, H. Itoh, I. Rafols, T. Matsuyama, H. Sakaguchi,
and M. Mimura, "Interface growth and pattern formation in bacterial
colonies"
PHYSICA A 249, 517 (1998)
J. Wakita, H. Itoh, T. Matsuyama, and M. Matsushita, "Self-Affinity
for the Growing Interface of Bacterial Colonies"
J. Phys. Soc. Jpn. 66, 67 (1997)
A. Nakahara, Y. Shimada, J. Wakita, M. Matsushits, and T. Matsuyama, "Morphological
Diversity of the Colony Produced by Bacteria Proteus mirabilis"
J. Phys. Soc. Jpn. 65, 2700 (1996)
K. Komatsu, J. Wakita, A. Nakahara, and M. Matsushita, "Pattern Formation
by Reproducible Random Walkers in Irreversibly Expandable Enclosure"
J. Phys. Soc. Jpn. 63, 3230 (1994)
J. Wakita, K. Komatsu, A. Nakahara, T. Matsuyama, and M. Matsushita, "Experimental
Investigation on the Validity of Population Dynamics Approach to Bacterial
Colony Formation"
J. Phys. Soc. Jpn. 63, 1205 (1994)
円形プール内におけるバクテリア集団運動
寒天培地上に作成した円形プール内を運動する枯草菌は，プール内の菌密度 ρ とプールの直径に対する菌体長比 λ（0.06～0.43）によって，様々な振る舞いを示します。現在のところ、それら振る舞いは，“(a) random motion，(b) turbulent motion，(c) one-way rotational motion，(d) two-way rotational motion，(e) random oscillatory motion，(f) ordered oscillatory motion” の６種類に分類できています（図１参照）。特に，プールの直径に対する菌体長比 λ には２つの閾値（λ_C1= 0.1, λ_C2= 0.2）が存在し，そこで菌集団の振る舞いに質的な変化が見られることが確認されています。現段階での実験結果をもとに，プール内の菌密度 ρ とプールの直径に対する菌体長比 λ をパラメータとして，図に示すような相図を作成しました。
動画
・random motion
・turbulent motion
・one-way rotational motion
・two-way rotational motion
・random oscillatory motion
・oredered oscillatory motion(1)
・oredered oscillatory motion(2)
J. Wakita, S. Tsukamoto, K. Yamamoto, M. Katori, and Y. Yamada, "Phase
Diagram of Collective Motion of Bacterial Cells in a Shallow Circular Pool"
J. Phys. Soc. Jpn. 84, 124001 (2015)
菌体長分布
現在作成中
バクテリアの紐状成長
培地が固く、栄養分の豊富な環境下では、枯草菌は途切れることなく紐状に繋がった状態で分裂増殖を繰り返します。そのようにして自己伸長する紐状のバクテリアは、折り畳みを繰り返しながら寒天培地表面を覆い尽くし、最終的には巨視的なコロニー・パターンへと成長します。本研究では、そのようなプロセスに潜む統計物理学的な特徴を明らかにすることを目的としています。
寒天平板上における塩化ナトリウム結晶成長
現在作成中
ガラス棒の破壊によるサイズ分布
細長いガラス棒をある高さから落として破壊し、砕け散った破片のサイズ分布を調べると、その分布はベキ乗則に従う。 落下させる高さによってベキ指数の変化、分布型に様々な変化が見られる。