【理工学部】坂上貴洋教授（理工学部物理科学科）の研究成果が学術論文誌Physical Review Letters, Physical Review Eに掲載

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狈贰奥厂(リエゾンセンター)

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2026.08.04

研究成果のポイント

■アクティブポリマーの非平衡ダイナミクスを特徴づけるスケーリング则の导出
■细胞内の生体高分子の振る舞いを理解するための基础理论构筑

研究概要

本研究は、アクティブポリマーの振る舞いを理论的に解析し、その背后にある普遍的な侧面を明らかにしたものです。
アクティブポリマーとは、エネルギーを消费して自発的に动き回るような素子が一次元状に繋がったものです。通常、ポリマー(=高分子)とは、モノマーという繰り返し単位が重合して锁状に连なった巨大分子のことであり、巨大分子形成により新たに発现する物性を系统的に研究するのが高分子物理学です。従来の高分子物理学では、モノマーは热的に揺らぐ受动的な素子と考えますが、これでは、细胞内の非平衡过程によりエネルギー消费を伴うような生体高分子の运动を记述することはできません。このような问题意识の下、本研究では、アクティブポリマーを记述する基础的なモデルを取り上げ、その动的な性质について理论的解析を行いました。特に、细胞内の顿狈础やクロマチンの动きを念头に置き、近年の生细胞イメージングの観测结果をどのように解釈すべきかについても议论を行いました。

研究の背景

高分子は、モノマーと呼ばれる基本ユニットが繋がってできた巨大な分子です。モノマーとしては様々な化学构造のものがあり、そのため世の中には多种多様な高分子が存在します。例えば、ポリエチレンやポリスチレンのような合成高分子のほか、私たちの体の中にあるタンパク质や顿狈础も高分子です。これらの高分子の性质を理解することは、工业的応用にも重要ですし、生命现象の理解にも欠かすことができません。
构成要素であるモノマーの构造が违えば、高分子の振る舞いも异なってくるというのは当然のことでしょう。それでも大雑把に言えば、これらの高分子は、どれも长い锁状の分子といえます。そして、この长い锁状の分子であることに由来する普遍的な振る舞いが见られるのです。この高分子(=长い锁状分子)の振る舞いに见られる普遍性という概念は、２０世纪后半の高分子物理学の発展の中で、强く认识されるようになりました。
一方で、生物物理学の分野では、近年、细胞核内にある遗伝子を蛍光で标识して、顕微镜下、遗伝子が细胞核内を动く様子をリアルタイムで観测することが可能になっています。遗伝子の実态は顿狈础上の塩基配列ですので、遗伝子の运动とは、詰まるところ、顿狈础という长い高分子上の特定の部位の运动ということになります（図参照）。遗伝子がどのように动くかをきちんと理解することは、遗伝子発现の机构を解明する上でもとても重要です。そこで、高分子物理学の立场から遗伝子の运动を考えることには大きな意义があると思われますが、このアプローチには素朴な疑问が付きまといます。というのは、通常、高分子物理学では、热平衡状态にある高分子の振る舞いを考えるのですが、生きている细胞は热平衡状态にはありません。细胞のような定常的にエネルギー消费を伴う非平衡状态におかれた高分子の振る舞いはどのようなものでしょうか？

図：热平衡状态における高分子と非平衡揺らぎに駆动される高分子（アクティブポリマー）の振る舞いの违い

研究の内容

热平衡状态にある高分子には、热揺らぎが作用しています。细胞のような非平衡な环境下におかれた高分子は、热揺らぎの他に、例えば、细胞の代谢活动に由来する揺らぎが作用すると考えられます。このような揺らぎは、热揺らぎとは异なり、非平衡揺らぎと呼ばれます。このような非平衡揺らぎが、高分子を构成する个々のモノマーに作用するような高分子をアクティブポリマーと言います。本研究では、上记の素朴な问いに答えるために、最も简単だと思われるアクティブポリマーのモデルを取り上げ、その理论的解析を行いました。中でも、高分子の运动を考える上で重要となる「协働运动のドメイン」という概念を取り上げました（図）。このドメインは、时间スケールとともに増大していくのですが、热平衡状态にある高分子とアクティブポリマーでは、このドメインサイズの时间スケール依存性が异なることを明らかにしました。これにより、アクティブポリマーのダイナミクスを特徴づけるスケーリング则を导出しました。

図：热平衡状态における高分子と非平衡揺らぎに駆动される高分子（アクティブポリマー）の振る舞いの违い

今后の展开?社会に与える意义

アクティブポリマーの振る舞いは多様であり、近年、様々な角度から研究が行われています。そのような状况下、アクティブポリマーの基础モデルが示す现象についての物理的描像を明确にすることができたことには大きな意义があると考えています。今后は、得られた知见を基にして、様々な状况へ拡张、展开していくことが期待されます。顿狈础、クロマチンの运动を通して遗伝子発现の问题とも関係し、基础生物学の问题とも深く関わってくる可能性を秘めています。

プレスリリース「アクティブポリマーの振る舞いを理解するための基礎理論を構築」

＜関连情报＞

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