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水野 大介(みずの だいすけ) データ更新日:2021.06.07

教授 /  理学研究院 物理学部門 物性物理学


主な研究テーマ
非平衡生命科学
キーワード:非平衡力学、生命現象の創発、複雑系科学
2021.06~2021.06.
細胞骨格の非平衡揺らぎ
細胞のメカノセンシング
マイクロレオロジー
aging コロイドガラス および ゲルの非平衡揺らぎ
キーワード:非平衡生命科学、マイクロレオロジー、バイオレオロジー、アクチン、ミオシン、糖蛋白、癌細胞
2007.01~2012.02.
従事しているプロジェクト研究
Role of the filamin A in the dynamic structure of the opioid signalosome
2011.05~2016.04, 代表者:水野大介, 九州大学, 九州大学 (日本).
研究業績
主要著書
主要原著論文
1. T. Ariga, M. Tomishige, and D. Mizuno, Nonequilibrium Energetics of Molecular Motor Kinesin, Physical Review Letters, 10.1103/PhysRevLett.121.218101, 121, 218101 , 2018.11, Nonequilibrium energetics of single molecule translational motor kinesin was investigated by measuring heat dissipation from the violation of the fluctuation-response relation of a probe attached to the motor using optical tweezers. The sum of the dissipation and work did not amount to the input free energy change, indicating large hidden dissipation exists. Possible sources of the hidden dissipation were explored by analyzing the Langevin dynamics of the probe, which incorporates the two-state Markov stepper as a kinesin model. We conclude that internal dissipation is dominant..
2. K. Nishizawa, K. Fujiwara, M. Ikenaga, N. Nakajo, M. Yanagisawa, and D. Mizuno, Universal glass-forming behavior of in vitro and living cytoplasm, Scientific Reports, 10.1038/s41598-017-14883-y, 7, 15143, 2017.11, Physiological processes in cells are performed efficiently without getting jammed although cytoplasm is highly crowded with various macromolecules. Elucidating the physical machinery is challenging because the interior of a cell is so complex and driven far from equilibrium by metabolic activities. Here, we studied the mechanics of in vitro and living cytoplasm using the particle-tracking and manipulation technique. The molecular crowding effect on cytoplasmic mechanics was selectively studied by preparing simple in vitro models of cytoplasm from which both the metabolism and cytoskeletons were removed. We obtained direct evidence of the cytoplasmic glass transition; a dramatic increase in viscosity upon crowding quantitatively conformed to the super-Arrhenius formula, which is typical for fragile colloidal suspensions close to jamming. Furthermore, the glass-forming behaviors were found to be universally conserved in all the cytoplasm samples that originated from different species and developmental stages; they showed the same tendency for diverging at the macromolecule concentrations relevant for living cells. Notably, such fragile behavior disappeared in metabolically active living cells whose viscosity showed a genuine Arrhenius increase as in typical strong glass formers. Being actively driven by metabolism, the living cytoplasm forms glass that is fundamentally different from that of its non-living counterpart..
3. K. Nishizawa, M. Bremerich, H. Ayade, C. F. Schmidt, T. Ariga and D. Mizuno, Feedback-tracking microrheology in living cells, Science Advances, 10.1126/sciadv.1700318, 3, e1700318, 2017.09.
4. Irwin Zaid, Daisuke Mizuno, Analytical limit distribution from random power-law interactions, Physical Review Letters, 10.1103/PhysRevLett.117.030602, 117, 3, 030602, 2016.07, Nature is full of power-law interactions, e.g., gravity, electrostatics, and hydrodynamics. When sources of such fields are randomly distributed in space, the superposed interaction, which is what we observe, is naively expected to follow a Gauss or Levy distribution. Here, we present an analytic expression for the actual distributions that converge to novel limits that are in between these already-known limit distributions, depending on physical parameters, such as the concentration of field sources and the size of the probe used to measure the interactions. By comparing with numerical simulations, the origin of non-Gauss and non-Levy distributions are theoretically articulated..
5. Daisuke Mizuno, Suguru Kinoshita, Lara Gay Villaruz, High-frequency affine mechanics and nonaffine relaxation in a model cytoskeleton, PHYSICAL REVIEW E, 10.1103/PhysRevE.89.042711, 89, 4, 2014.04, The cytoskeleton is a network of crosslinked, semiflexible filaments, and it has been suggested that it has properties of a glassy state. Here we employ optical-trap-based microrheology to apply forces to a model cytoskeleton and measure the high-bandwidth response at an anterior point. Simulating the highly nonlinear and anisotropic stress-strain propagation assuming affinity, we found that theoretical predictions for the quasistatic response of semiflexible polymers are only realized at high frequencies inaccessible to conventional rheometers. We give a theoretical basis for determining the frequency when both affinity and quasistaticity are valid, and we discuss with experimental evidence that the relaxations at lower frequencies can be characterized by the experimentally obtained nonaffinity parameter..
6. Daisuke Mizuno, Local mechanical response in semiflexible polymer networks subjected to an axisymmetric prestress, PHYSICAL REVIEW E, 10.1103/PhysRevE.88.022717, 88, 2, 2013.08, Analytical and numerical calculations are presented for the mechanical response of fiber networks in a state of axisymmetric prestress, in the limit where geometric nonlinearities such as fiber rotation are negligible. This allows us to focus on the anisotropy deriving purely from the nonlinear force-extension curves of individual fibers. The number of independent elastic coefficients for isotropic, axisymmetric, and fully anisotropic networks are enumerated before deriving expressions for the response to a locally applied force that can be tested against, e.g., microrheology experiments. Localized forces can generate anisotropy away from the point of application, so numerical integration of nonlinear continuum equations is employed to determine the stress field, and induced mechanical anisotropy, at points located directly behind and in front of a force monopole. Results are presented for the wormlike chain model in normalized forms, allowing them to be easily mapped to a range of systems. Finally, the relevance of these findings to naturally occurring systems and directions for future investigation are discussed..
7. N. Nijenhuis, D. Mizuno, J. A. E. Spaan, and C. F. Schmidt, "High-resolution microrheology in the pericellular matrix of prostate cancer cells" , J. Royal Society Interface, 2012.06, Many cells express a membrane-coupled external mechanical layer, the pericellular matrix (PCM), which often contains long-chain polymers. Its role and properties are not entirely known, but its functions are believed to include physical protection, mechanosensing, chemical signalling or lubrication. The viscoelastic response of the PCM, with polysaccharides as the main structural components, is therefore crucial for the understanding of its function. We have here applied microrheology, based on optically trapped micrometre-sized colloids, to the PCM of cultured PC3 prostate cancer cells. This technology allowed us to measure the extremely soft response of the PCM, with approximately 1 µm height resolution. Exogenously added aggrecan, a hyaluronan-binding proteoglycan, caused a remarkable increase in thickness of the viscoelastic layer and also triggered filopodia-like protrusions. The viscoelastic response of the PCM, however, did not change significantly.

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8. T. Toyota, D. A. Head, C. F. Schmidt and D. Mizuno , Non-Gaussian athermal fluctuations in active gels, Soft Matter, 10.1039/c0sm00925c , 7, 7 , 3234-3239 , 2011.04, [URL].
9. D. Mizuno, R. G. Bacabac, C. Tardin, D. Head, C. F. Schmidt, High-resolution probing of cellular force transmission, Physical Review letters, 10.1103/PhysRevLett.102.168102 , 102, 16 , 168102 , 2009.08, [URL].
10. R. G. Bacabac, D. Mizuno, A. Vatsa, C.F. Schmidt, F.C. MacKintosh, J. Van Loon, J. Klein-Nulend, and T. Smit , "Round versus flat : bone cell norphology, elasticity, and mechanosensing" Journal of biomechanics 41, (7), pp.1590-pp.1598b (2008)
, Journal of biomechanics , 2008.08, [URL].
11. D. Mizuno, C. Tardin, C. F. Schmidt, and F. C. MacKintosh , Nonequilibrium mechanics of active cytoskeletal networks
, Science, 10.1126/science.1134404 , 315 , 5810 , 370-373 , 2007.01, [URL].
12. Mizuno, D (Mizuno, D); Hattori, K (Hattori, K); Sakai, K (Sakai, K); Takagi, K (Takagi, K), Dynamic measurement of surface properties with Ripplon spectroscopy, 1998 IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM - PROCEEDINGS, VOLS 1 AND 2, 1121-1124.
主要総説, 論評, 解説, 書評, 報告書等
1. 水野大介、中益朗子, 細胞の力学知覚の物理メカニズム, 2011.04, [URL].
2. 水野大介, 細胞骨格の非平衡揺らぎと力学特性, 2011.04, [URL].
主要学会発表等
1. 水野 大介, 揺動散逸定理を破る生き物の非平衡揺らぎの統計分布, 第69回日本物理学会年次大会シンポジウム「動的ゆらぎの普遍法則」, 2014.03.
2. Daisuke Mizuno, Levy statistics and dynamics in active cytoskeletons, 2013 SPP Physics Congress, 2013.10.
3. Daisuke Mizuno, Levy statistics and dynamics in active cytoskeletons, Taiwan International Workshop on Biological Physics and Complex Systems (BioComplex-Taiwan-2013), 2013.07.
4. 水野 大介, 揺動散逸定理を破る非平衡揺らぎの時空間構造, 第 17 回久保記念シンポジウム「ゆらぎのなかの構造」, 2012.10.
5. Daisuke Mizuno, Heev Ayade, Non-Gauss a-thermal fluctuations in active cytoskeletons, Biological & Pharmaceutical Complex Fluids: New Trends in Characterizing Microstructure, Interactions & Properties An ECI Conference, 2012.08.
6. Daisuke Mizuno, R. G. Bacabac, D.A. Head and Christoph Schmidt,, Mechano-sensing and Active Cytoskeleton, inernational symposium on emchanobiology, 2011.11.
学会活動
所属学会名
高分子学会
生物物理学会
生物物理学会
細胞生物学会
日本物理学会
学協会役員等への就任
2011.09~2012.09, 日本物理学会, 九州支部会委員.
学会大会・会議・シンポジウム等における役割
2013.11.30~2013.11.30, 第119回日本物理学会九州支部例会 , 座長(Chairmanship).
2012.12.08~2012.12.08, 第118回日本物理学会九州支部例会, 座長(Chairmanship).
2013.02.18~2013.02.20, Self-organization and Emergent Dynamics in Active Soft Matter, 座長(Chairmanship).
2011.12.03~2011.12.03, •第117回日本物理学会九州支部例会, 座長(Chairmanship).
2012.03.24~2012.03.27, 日本物理学会 第67回会 年次大会, 座長(Chairmanship).
2013.02.18~2013.02.20, Self-organization and Emergent Dynamics in Active Soft Matterhtml, Organizing committee.
学会誌・雑誌・著書の編集への参加状況
2012.04~2014.03, 日本生物物理学会誌, 国内, 編集 地区委員.
学術論文等の審査
年度 外国語雑誌査読論文数 日本語雑誌査読論文数 国際会議録査読論文数 国内会議録査読論文数 合計
2015年度      
2015年度      
2014年度      
2013年度      
2012年度      
2011年度      
その他の研究活動
海外渡航状況, 海外での教育研究歴
Goettingen University, Germany, 2007.06~2007.07.
Vrije Universiteit Amsterdam, Netherlands, 2003.04~2006.12.
外国人研究者等の受入れ状況
2015.03~2015.07, Vrije University Amsterdam, Japan, .
2014.04~2014.04, 2週間以上1ヶ月未満, Philippines, 学内資金.
2014.03~2014.04, 2週間以上1ヶ月未満, IPBS/CNRS, France, 学内資金.
2014.02~2015.03, 1ヶ月以上, Vrije University, Netherlands, KNAW.
2015.04~2015.04, 2週間未満, Goettingen University, Germany.
2014.12~2015.02, University of San Carlos, Philippines.
2014.12~2015.02, 1ヶ月以上, Philippines, DOST.
2014.12~2015.05, 1ヶ月以上, Philippines, DOST.
2013.05~2013.05, 1ヶ月以上, 九州大学, China.
2012.04~2012.05, 2週間以上1ヶ月未満, IPBS/CNRS, France, 日本学術振興会.
2012.03~2012.08, 1ヶ月以上, Japan, 日本学術振興会.
2011.08~2011.08, 2週間以上1ヶ月未満, IPBS/CNRS, France, 日本学術振興会.
2010.04~2012.12, 1ヶ月以上, Japan, .
受賞
S.M. Perren Research Award, European Society of Biomechanics, 2006.08.
第4回 物理学会若手奨励賞(領域12), 日本物理学会, 2011.08.
文部科学大臣表彰 若手科学者賞, 文部科学省, 2011.04.
研究資金
科学研究費補助金の採択状況(文部科学省、日本学術振興会)
2001年度~2002年度, 基盤研究(C), 単一粒子計測による3次元プローブ顕微鏡の開発.
2003年度~2004年度, 基盤研究(C), 複雑流体中における生体1分子の動的機能計測と、そのマイクロフローシステムへの応用.
2007年度~2008年度, 基盤研究(C), 細胞内応力分布の高分解能計測による細胞の非平衡動力学の解明.
2008年度~2010年度, 基盤研究(C), 生きものの力学物性を支配する非平衡統計力学.
2009年度~2010年度, 基盤研究(C), 生体ソフトマターの非平衡力学計測.
2011年度~2012年度, 基盤研究(C), 細胞内部の非平衡力学に基づく非熱的揺動力の計測.
2012年度~2013年度, 基盤研究(C), 多粒子光トラップによる神経細胞の軸索伸長の制御とその特異性の起源の解明.
2013年度~2017年度, 基盤研究(C), 非熱的に駆動されたバイオマターの非平衡動力学.
2013年度~2014年度, 基盤研究(C), 細胞集団が形成する組織の非線形・非平衡メカニクスと自発生成力の観測.
2015年度~2016年度, 基盤研究(C), 力と力学特性による細胞競合メカニズム.
2015年度~2017年度, 基盤研究(C), フィードバックマイクロレオロジーによる細胞力学の観測.
2015年度~2018年度, 基盤研究(C), アクティブなゆらぎ環境下での生体分子モーターキネシンの1分子運動解析.
2015年度~2017年度, 基盤研究(C), 「ゆらぎと構造の協奏:非平衡系における普遍法則の確立」のための国際活動支援.
2018年度~2020年度, 基盤研究(C), 代謝依存的にガラス形成する細胞質のマイクロレオロジ-.
2020年度~2023年度, 基盤研究(C), 非平衡系のガラス・ジャミング転移.
2020年度~2021年度, 基盤研究(C), 揺動散逸定理の破れと非ガウス性解析に基づく非熱的揺らぎの有用性評価.
2020年度~2023年度, 基盤研究(A), 分担, 非平衡系のガラス・ジャミング転移.
2020年度~2021年度, 新学術領域研究, 代表, 揺動散逸定理の破れと非ガウス性解析に基づく非熱的揺らぎの有用性評価.
2018年度~2020年度, 基盤研究(B), 代表, 代謝依存的にガラス形成する細胞質のマイクロレオロジー.
2015年度~2016年度, 新学術領域研究, 代表, 力と力学特性による細胞競合メカニズム.
2015年度~2017年度, 基盤研究(B), 代表, フィードバックマイクロレオロジーによる細胞力学の観測.
2013年度~2014年度, 新学術領域研究, 代表, 細胞集団が形成する組織の非線形・非平衡メカニクスと自発生成力の観測.
競争的資金(受託研究を含む)の採択状況
2018年度~2018年度, 新分野創成センター先端光科学研究分野 プロジェクト, 代表, 補償光学を用いた生体組織の力学計測.
2019年度~2019年度, 新分野創成センター先端光科学研究分野 プロジェクト, 代表, フィードバックと補償光学を用いた細胞内粒子の光捕捉操作とレーザー干渉計測.
学内資金・基金等への採択状況
2017年度~2017年度, QRプログラム ワカバチャレンジ, 代表, ”活きの良さ”に基づく幹細胞分化と癌悪性化の非平衡力学研究.

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pure2017年10月2日から、「九州大学研究者情報」を補完するデータベースとして、Elsevier社の「Pure」による研究業績の公開を開始しました。
 
 
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