氏名

タカノ ミツノリ

高野 光則

職名

教授 (https://researchmap.jp/read0206053/)

所属

(先進理工学部)

連絡先

メールアドレス

メールアドレス
mtkn@waseda.jp

URL等

WebページURL

http://www.tb.phys.waseda.ac.jp/(研究室HP)

研究者番号
40313168

本属以外の学内所属

兼担

理工学術院(大学院先進理工学研究科)

学内研究所等

理工学総合研究センター

兼任研究員 2004年-2006年

ITバイオ研究所

研究員 2006年-2006年

自己組織系物理ホリスティック研究所

研究所員 2009年-2014年

複雑系高等学術研究所

研究所員 2015年-

早稲田バイオサイエンスシンガポール研究所

研究所員 2016年-2016年

理工学術院総合研究所(理工学研究所)

兼任研究員 2006年-2018年

理工学術院総合研究所(理工学研究所)

兼任研究員 2018年-

ホリスティック物理学研究所

研究所員 2015年-2019年

ホリスティック物理学研究所

研究所員 2019年-

学歴・学位

学歴

-1994年 東京大学 教養学部 基礎科学科
-1999年 東京大学 総合文化研究科 広域科学専攻

学位

博士(学術) 課程 東京大学 生物物理学

経歴

1999年-2004年東京大学大学院総合文化研究科物理部会・陶山研助手
2004年-2005年早稲田大学理工学部物理学科専任講師
2005年-早稲田大学理工学部物理学科助教授
2009年-早稲田大学理工学術院先進理工学研究科物理学及応用物理学専攻教授

所属学協会

日本生物物理学会

日本物理学会

Biophysical Society

Protein Society

研究分野

キーワード

蛋白質、生体分子システム、分子モーター、分子機械、分子動力学、数値解析、コンピューター・シミュレーション、分子間相互作用、非線形統計物理、水の物性、構造機能相関、分子認識、ネットワーク、ブラウニアン・ラチェット機構、エネルギー変換機構、アロステリー

科研費分類

生物学 / 生物科学 / 生物物理学

数物系科学 / 物理学 / 生物物理・化学物理・ソフトマターの物理

研究テーマ履歴

分子機械のアロステリー:エネルギー変換と自律制御の物理機構
生体分子システムにおけるクーロン力の本質的役割
タンパク質のギリギリの安定性と臨界性の生物物理的意義

論文

Ohnuki et al. Reply

J Ohnuki, T Sato, T Sasaki, K Umezawa, and M Takano

Physical Review Letters123p.0496022019年07月-2019年07月 

Coupling of redox and structural states in cytochrome P450 reductase studied by molecular dynamics simulation

M. Iijima, J Ohnuki, T. Sato, M. Sugishima, and M Takano

Scientific Reports査読有り9p.93412019年06月-2019年06月 

Hydrophobic surface enhances electrostatic interaction in water

T Sato, T Sasaki, J Ohnuki, K Umezawa, and M Takano

Physical Review Letters1212018年11月-2018年11月 

DOI

Orchestrated electrostatic interactions among myosin, actin, ATP, and water

M Takano

The Role of Water in ATP Hydrolysis Energy Transduction by Protein Machineryp.113 - 1222018年05月-2018年05月 

Structural and dynamical characteristics of tropomyosin epitopes as the major allergens in shrimp

H Ozawa, K Umezawa, M Takano, S Ishizaki, S Watabe, Y Ochiai

Biochemical and Biophysical Research Communications2018年01月-2018年01月 

DOIScopus

詳細

ISSN:0006291X

概要:© 2018 Elsevier Inc. Ingestion of marine invertebrates often causes food allergy, where the major allergens have been reported to be derived from tropomyosin (TM). Intact or the digestive fragments of food allergens generally show resistance to digestion, which is usually attributable to the structural stability (or rigidity). The difference in the structural and dynamical characteristics between the epitope and the non-epitope regions in TM has not yet been well understood. In the present study, molecular dynamics simulation was performed at constant pHs for shrimp TM. By analyzing the main-chain dihedral angle fluctuations and local α-helix contents, we found that the epitope regions are more stable than the non-epitope counterparts, providing a possible physical reason for the resistance to digestion in the epitopes regions. The difference of the structural stability between the epitope and the non-epitope regions was largest at low pHs, even though pH dependence of the structural stability in itself was not significant in both regions. The lower content of the Ala cluster in the epitope region is considered to cause the higher stability of the epitope region.

Electrostatic balance between global repulsion and local attraction in reentrant polymerization of actin

J Ohnuki, A Yodogawa, M Takano

Cytoskeleton74(12)p.504 - 5112017年12月-2017年12月 

DOIScopus

詳細

ISSN:19493584

概要:© 2017 Wiley Periodicals, Inc. Actin polymerization depends on the salt concentration, exhibiting a reentrant behavior: the polymerization is promoted by increasing KCl concentration up to 100 mM, and then depressed by further increase above 100 mM. We here investigated the physical mechanism of this reentrant behavior by calculating the polymerization energy, defined by the electrostatic energy change upon binding of an actin subunit to a filament, using an implicit solvent model based on the Poisson-Boltzmann (PB) equation. We found that the polymerization energy as a function of the salt concentration shows a non-monotonic reentrant-like behavior, with the minimum at about 100 mM (1:1 salt). By separately examining the salt concentration effect on the global electrostatic repulsion between the like-charged subunits and that on the local electrostatic attraction between the inter-subunit ionic-bond-forming residues in the filament, we clarified that the reentrant behavior is caused by the change in the balance between the two opposing electrostatic interactions. Our study showed that the non-specific nature of counterions, as described in the mean-field theory, plays an important role in the actin polymerization. We also discussed the endothermic nature of the actin polymerization and mentioned the effect of ATP hydrolysis on the G-F transformation, indicating that the electrostatic interaction is widely and intricately involved in the actin dynamics.

Long-range coupling between ATP-binding and lever-arm regions in myosin via dielectric allostery

T Sato, J Ohnuki, M Takano

Journal of Chemical Physics147(21)2017年12月-2017年12月 

DOIScopus

詳細

ISSN:00219606

概要:© 2017 Author(s). A protein molecule is a dielectric substance, so the binding of a ligand is expected to induce dielectric response in the protein molecule, considering that ligands are charged or polar in general. We previously reported that binding of adenosine triphosphate (ATP) to molecular motor myosin actually induces such a dielectric response in myosin due to the net negative charge of ATP. By this dielectric response, referred to as "dielectric allostery," spatially separated two regions in myosin, the ATP-binding region and the actin-binding region, are allosterically coupled. In this study, from the statistically stringent analyses of the extensive molecular dynamics simulation data obtained in the ATP-free and the ATP-bound states, we show that there exists the dielectric allostery that transmits the signal of ATP binding toward the distant lever-arm region. The ATP-binding-induced electrostatic potential change observed on the surface of the main domain induced a movement of the converter subdomain from which the lever arm extends. The dielectric response was found to be caused by an underlying large-scale concerted rearrangement of the electrostatic bond network, in which highly conserved charged/polar residues are involved. Our study suggests the importance of the dielectric property for molecular machines in exerting their function.

Over-Destabilization of Protein-Protein Interaction in Generalized Born Model and Utility of Energy Density Integration Cutoff

Y Mizuhara, D Parkin, K Umezawa, J Ohnuki, M Takano

Journal of Physical Chemistry B121(18)p.4669 - 46772017年05月-2017年05月 

DOIScopus

詳細

ISSN:15206106

概要:© 2017 American Chemical Society. The generalize Born (GB) model is frequently used in MD simulations of biomolecular systems in aqueous solution. The GB model is usually based on the so-called Coulomb field approximation (CFA) for the energy density integration. In this study, we report that the GB model with CFA overdestabilizes the long-range electrostatic attraction between oppositely charged molecules (ionic bond forming two-helix system and kinesin-tubulin system) when the energy density integration cutoff, r max , which is used to calculate the Born energy, is set to a large value. We show that employing large r max , which is usually expected to make simulation results more accurate, worsens the accuracy so that the attraction is changed into repulsion. It is demonstrated that the overdestabilization is caused by the overestimation of the desolvation penalty upon binding that originates from CFA. We point out that the overdestabilization can be corrected by employing a relatively small cutoff (r max = 10-15 Å), affirming that the GB models, even with CFA, can be used as a powerful tool to theoretically study the protein-protein interaction, particularly on its dynamical aspect, such as binding and unbinding.

Intrinsic disorder accelerates dissociation rather than association

K Umezawa, J Ohnuki, J Higo, M Takano

Proteins84(8)p.1124 - 11332016年08月-2016年08月 

DOIScopus

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ISSN:08873585

概要:© 2016 Wiley Periodicals, Inc.The intrinsically disordered protein (IDP) has distinct properties both physically and biologically: it often becomes folded when binding to the target and is frequently involved in signal transduction. The physical property seems to be compatible with the biological property where fast association and dissociation between IDP and the target are required. While fast association has been well studied, fueled by the fly-casting mechanism, the dissociation kinetics has received less attention. We here study how the intrinsic disorder affects the dissociation kinetics, as well as the association kinetics, paying attention to the interaction strength at the binding site (i.e., the quality of the “fly lure”). Coarse-grained molecular dynamics simulation of the pKID-KIX system, a well-studied IDP system, shows that the association rate becomes larger as the disorder-inducing flexibility that was imparted to the model is increased, but the acceleration is marginal and turns into deceleration as the quality of the fly lure is worsened. In contrast, the dissociation rate is greatly enhanced as the disorder is increased, indicating that intrinsic disorder serves for rapid signal switching more effectively through dissociation than association. Proteins 2016; 84:1124–1133. © 2016 Wiley Periodicals, Inc.

Piezoelectric allostery of protein

J Ohnuki, T Sato, M Takano

Physical Review E94(1)2016年07月-2016年07月 

DOIScopus

詳細

ISSN:15393755

概要:© 2016 American Physical Society.Allostery is indispensable for a protein to work, where a locally applied stimulus is transmitted to a distant part of the molecule. While the allostery due to chemical stimuli such as ligand binding has long been studied, the growing interest in mechanobiology prompts the study of the mechanically stimulated allostery, the physical mechanism of which has not been established. By molecular dynamics simulation of a motor protein myosin, we found that a locally applied mechanical stimulus induces electrostatic potential change at distant regions, just like the piezoelectricity. This novel allosteric mechanism, "piezoelectric allostery", should be of particularly high value for mechanosensor/transducer proteins.

Dielectric Allostery of Protein: Response of Myosin to ATP Binding

T Sato, J Ohnuki, M Takano

Journal of Physical Chemistry B120(51)p.13047 - 130552016年-2016年

DOIWoS

詳細

ISSN:1520-6106

Coupling of Lever Arm Swing and Biased Brownian Motion in Actomyosin

Q-M Nie, A Togashi, T Sasaki, M Takano, M Sasai, T P Terada

PLoS Computational Biology10(4)2014年-2014年

DOIWoS

詳細

ISSN:1553-734X

Temperature-Enhanced Association of Proteins Due to Electrostatic Interaction: A Coarse-Grained Simulation of Actin-Myosin Binding

K Okazaki, T Sato, M Takano

Journal of the American Chemical Society134(21)p.8918 - 89252012年-2012年

DOIWoS

詳細

ISSN:0002-7863

Conformational ensembles of an intrinsically disordered protein pKID with and without a KIX domain in explicit solvent investigated by all-atom multicanonical molecular dynamics

K Umezawa, J Ikebe, M Takano, H Nakamura, J Higo

Biomolecules2(1)p.104 - 1212012年-2012年

Unidirectional Brownian motion observed in an in silico single molecule experiment of an actomyosin motor

M Takano, T P Terada, M Sasai

Proc Natl Acad Sci USA107(17)p.7769 - 77742010年-2010年

DOIWoS

詳細

ISSN:0027-8424

Residue network in protein native structure belongs to the universality class of a three-dimensional critical percolation cluster

H Morita, M Takano

Physical Review E79p.020901(R)2009年-2009年

ΔG-based prediction and experimental confirmation of SYCRP1-binding sites on the Synechocystis genome

K Omagari, H Yoshimura, T Suzuki, M Takano, M Ohmori, A Sarai

FEBS Journal275(19)p.4786 - 47952008年-2008年

Modeling of a propagation mechanism of infectious prion protein; a hexamer as the minimum infectious unit

HK Nakamura, M Takano, K Kuwata

Biochemical and Biophysical Research Communications361(3)p.789 - 7932007年-2007年

Violation of the fluctuation-dissipation theorem in a protein system

K Hayashi, M Takano

Biophysical Journal93(3)p.895 - 9012007年-2007年

Temperature of a Hamiltonian system given as the effective temperature of a nonequilibrium steady-state Langevin thermostat

K Hayashi, M Takano

Physical Review E76(5)p.050104(R)2007年-2007年

Temperature dependence and counter effect of the correlations of folding rate with chain length and with native topology

N. K. Nakamura and M. Takano

Physical Review E71p.0619132005年-

On the model granularity to simulate protein dynamics: A biological physics view on biomolecular computing

M. Takano, J. Higo, H. K. Nakamura and M. Sasai

Natural Computing3p.377 - 3932004年-

Scrutinizing the squeezed exponential kinetics observed in the folding simulation of an off-lattice Go-like protein model

H. K. Nakamura, M. Sasai and M. Takano

Chemical Physics307p.259 - 2672004年-

Squeezed exponential kinetics to describe a non-glassy downhill folding as observed in a lattice protein model

H. K. Nakamura, M. Sasai and M. Takano

Proteins55p.99 - 1062004年-

Systematic single base-pair substitution analysis of DNA binding by the cAMP receptor protein in cyanobacterium Synechocystis sp PCC 6803

K. Omagari, H. Yoshimura, M. Takano, D.Y. Hao, M. Ohmori, A. Sarai, and A. Suyama

FEBS Letters563p.55 - 582004年-

A PNA-mediated whiplash PCR-based program for in vitro protein evolution

J. A. Rose, M. Takano, and A. Suyama

Lecture Note in Computer Sciences2568p.47 - 602004年-

Investigating a link between all-atom model simulation and the Ising-based theory on the helix-coil transition. II. Non-stationary properties

M. Takano, H.K. Nakamura, K. Nagayama, and A. Suyama

Journal of Chemical Physics118p.10312 - 103222003年-

A DNA computing-based genetic program for in vitro protein evolution via constrained pseudo-module shuffling

J. A. Rose, M. Takano, M. Hagiya, and A. Suyama

Genetic Programming and Evolvable Machines4p.139 - 1522003年-

How the all-atom simulation and the Ising-based theory reconcile with each other on the helix-coil transition

M. Takano, K. Nagayama, and A. Suyama

Journal of Biological Physics28p.151 - 1612002年-

Investigating a link between all-atom model simulation and the Ising-based theory on the helix-coil transition: equilibrium statistical mechanics

M. Takano, K. Nagayama, and A. Suyama

Journal of Chemical Physics116p.2219 - 22282002年-2002年

Molecular dynamics of a 15-residue poly(L-alanine) in water: Helix formation and energetics

M. Takano, T. Yamato, J. Higo, A. Suyama, and K. Nagayama

Journal of the American Chemical Society121p.605 - 6121999年-1999年

Helix-coil transition and 1/f fluctuation in a polypeptide chain

M. Takano, T. Takahashi, and K. Nagayama

Physical Review Letters80p.5691 - 56941998年-1998年

書籍等出版物

The Role of Water in ATP Hydrolysis Energy Transduction by Protein Machinery

Makoto Suzuki editor(分担執筆)

Springer Nature Singapore2018年-2018年

LINK

詳細

ISBN:9789811084584;

分子マシンの科学 : 分子の動きとその機能を見る

日本化学会編(分担執筆)

化学同人2017年-2017年

LINK

詳細

ISBN:9784759813869;

コンプレックス・ダイナミクスの挑戦

早稲田大学複雑系高等学術研究所編(分担執筆)

共立出版2011年-2011年

LINK

詳細

ISBN:9784320034501;

外部研究資金

科学研究費採択状況

研究種別:

アクチンの構造多型性・協同性・応答特性の分子機構

2013年-0月-2015年-0月

配分額:¥10010000

研究種別:

ATPが制御するアクトミオシン強結合-弱結合転移の分子基盤

2011年-0月-2013年-0月

配分額:¥14300000

研究種別:

計算科学による核内タンパク質天然変性状態の構造多型解析

2009年-0月-2014年-0月

配分額:¥102180000

研究種別:

超分子モーターFoF1の1分子計算機実験

配分額:¥6000000

研究種別:

ATPによるミオシンとアクチンのアロステリック制御の分子機構

配分額:¥11180000

研究種別:

回転分子モーターの動力学計算と自由エネルギー変換メカニズムの解明

配分額:¥6000000

研究種別:

アクトミオシンの分子間相互採用モデリングにおける水の役割

配分額:¥7700000

研究種別:

蛋白質の柔らかいダイナミクスの機能発現

配分額:¥49140000

研究種別:

自律型分子計算機のためのヘアピンDNA分子デバイスに関する研究

配分額:¥15700000

研究種別:

蛋白質の遅い揺らぎを捉えるための粗視化モデル

配分額:¥3400000

研究種別:

光受容タンパク質の量子的分子動力学シミュレーションによる遍在プロトンの機能解明

2018年-0月-2023年-0月

配分額:¥196430000

研究種別:

タンパク質の圧電効果:アロステリーの新機構

2016年-0月-2019年-0月

配分額:¥3770000

研究種別:

アメーバ運動を統御するアクチン構造多型マシナリー

2012年-0月-2017年-0月

配分額:¥87100000

学内研究制度

特定課題研究

Onsager-Kirkwood-Fröhlich理論による生体分子系の誘電応答解析

2018年度

研究成果概要:生体分子は表面が荷電しており、分子間相互作用には分子表面の電荷間のクーロン引力が寄与していると予想される。しかし、生体分子の間に存在する水は誘電率が大きく、水中でのクーロン相互作用が十分な引力をもたらすかどうかは自明ではない。そこ...生体分子は表面が荷電しており、分子間相互作用には分子表面の電荷間のクーロン引力が寄与していると予想される。しかし、生体分子の間に存在する水は誘電率が大きく、水中でのクーロン相互作用が十分な引力をもたらすかどうかは自明ではない。そこで、本研究ではOnsager、Kirkwood、Frohlichらによる誘電体理論と分子動力学シミュレーションを組み合わせ、タンパク質分子表面を模した疎水表面近傍の水の誘電率を解析した。その結果、疎水表面近傍では誘電率が低下し、異符号電荷間のクーロン力が増強されることが分かった。「疎水表面の水は固体的(ice-like)」との物理描像が根強くあるなか、本研究により疎水表面の水は気体的(gas-like)であることが示された。

タンパク質分子機械の誘電・圧電アロステリーと動作機構

2019年度

研究成果概要:力発生、エネルギー変換、電子伝達制御を行う分子マシンの長時間分子動力学シミュレーションを実施し、分子内部のクーロン結合ネットワークの大規模かつ協奏的な組換えがもたらす「誘電アロステリー」(Sato, Ohnuki, Takano,...力発生、エネルギー変換、電子伝達制御を行う分子マシンの長時間分子動力学シミュレーションを実施し、分子内部のクーロン結合ネットワークの大規模かつ協奏的な組換えがもたらす「誘電アロステリー」(Sato, Ohnuki, Takano, J.Phys. Chem. B, 2016)と「圧電アロステリー」(Ohnuki, Sato, Takano, Phys.Rev. E, 2016)の観点からそれぞれの分子マシンの動作機構の研究を行った。生体内での高エネルギー電子の伝達を制御する分子マシン(cytochrome P450 reductase)の大規模分子動力学シミュレーションにより、分子マシンにおける酸化還元状態と構造状態のカップリングを明らかにし、分子内の電子供与・受容部位の荷電状態変化によって誘起される誘電アロステリーを見出した。

細胞骨格フィラメントの分子動力学と細胞動力学

2006年度

研究成果概要: 細胞骨格フィラメントのダイナミクスはアクチン、チューブリン、線維状蛋白質の離合集散ダイナミクスである。本研究ではアクチンおよびチューブリンの多分子からなる系の分子動力学シミュレーションを行い、生命システム機能として興味深いアクチ... 細胞骨格フィラメントのダイナミクスはアクチン、チューブリン、線維状蛋白質の離合集散ダイナミクスである。本研究ではアクチンおよびチューブリンの多分子からなる系の分子動力学シミュレーションを行い、生命システム機能として興味深いアクチンフィラメントの「トレッドミル現象」や微小管の「動的不安定性」のメカニズムを分子動力学の立場から説明し、「分子動力学」と「細胞動力学」という生命システムの異なる階層の「動力学」の連関を理解することを目的とした。 本年度は特にアクチンの分子動力学計算において研究の進展があったのでそれを報告する。アクチンはモノマー状態(G状態)とフィラメント状態(F状態)の2状態をとる。F状態ではアクチンが重合して2重螺旋状のフィラメント構造が形成される。アクチンはATP加水分解酵素でもあり,G状態(Gアクチン)では分子中央部にあるクレフト基底部の核酸結合部位にATPが結合しているが,F状態(Fアクチン)になると加水分解が促進され,F状態のモノマー(プロトマー)の大部分はADP結合状態に変化している。興味深いことにGアクチンがフィラメントに結合するときの親和性はATP結合状態とADP結合状態で異なり,ADP結合状態のGアクチンの解離定数の方が大きい。このため,一方の端ではATPを結合したGアクチンが次々に既存のフィラメントに結合してフィラメントが伸長し,他方の端ではATPが加水分解されてADP結合状態になったプロトマーが次々に解離していく,というような現象(トレッドミル現象)が生じる。 結合している核酸によって解離定数が異なることから,アクチンは核酸依存的な構造状態変化を示すことが推測できる。実際,ATP加水分解にともないF状態のプロトマーの構造状態が変化し,それによりフィラメントが不安定化することが電子顕微鏡観察によって示唆されてきた。特に,ATPからADP結合状態への変化にともない,分子中央部のクレフトの閉開状態,サブドメイン2のD-loopと呼ばれる領域の構造状態,そしてクレフトをはさんだ2つのドメイン間のプロペラ(ねじれ)角の捩れ状態の3つが顕著に変化することが示唆された。しかし,最近解明されたGアクチンの結晶構造は,特にクレフト開閉状態とD-loopの構造状態に関して電顕の結果と一致しないことが明らかになってきた。電顕とX線による構造解析はそれぞれ一長一短があり,かつ両者が対立しているため,いまだにアクチンの核酸依存的な構造状態の解明には至っていない。 そこで,本研究では,異なる核酸結合状態のGアクチンの分子動力学計算を多数行い,まず水中でのGアクチンの構造状態とその核酸依存性を調べることにした。特に,争点になっているクレフト開閉状態,D-loopの構造状態,プロペラ角の捩れ状態を中心に調べた。クレフトに関しては,40本のMDトラジェクトリーの平均は結晶構造からの有意なずれを示したものの,ATP結合状態とADP結合状態の間に有意な差はなく,ともに閉状態となった。しかし,個々のトラジェクトリーは開状態に達する大きな揺らぎを示し,さらに核酸がない状態では開状態になることが分かった。D-loopに関しては結晶構造ではATP結合状態でdisoder状態,ADP結合状態でαへリックスになることが示されていたが,これとは異なり,実際は動的なhelix-coil転移を示すことが分かった。プロペラ角については電顕結果と一致する結果が得られ,核酸依存的な構造状態変化はここに集約される可能性があることが分かった。これらのGアクチンの構造状態の核酸依存性の結果,およびF状態のアクチン5量体のMD計算結果からフィラメント不安定化機構について調べた。特に,F状態はプロトマー間の分子間相互作用によって安定化されるが,一方でプロトマーの内部には歪みが生じ(特にプロペラ角の自由度について),この歪みがF状態の不安定化を引き起こす,という機構が示唆された。

生体分子モーターの力学応答特性:シミュレーション・理論からのアプローチ

2004年度

研究成果概要:本研究課題「生体分子モーターの力学応答特性」に関して、以下の3つの研究を行い、それぞれに関して興味深い結果が得られた。1)ミオシン分子の力学的応答特性:ミオシン分子のような巨大分子を扱うため、これまでに開発してきた弾性体モデルベー...本研究課題「生体分子モーターの力学応答特性」に関して、以下の3つの研究を行い、それぞれに関して興味深い結果が得られた。1)ミオシン分子の力学的応答特性:ミオシン分子のような巨大分子を扱うため、これまでに開発してきた弾性体モデルベースの粗視化モデルを用い、ミオシン分子のATP結合部位周辺に局所的な力、すなわち「摂動」が与えたとき、ミオシン分子がどのような「応答」、すなわち構造変化を誘起するかを研究した。従来から提唱されている「レバーアーム」仮説によると、ミオシン分子の力発生は、ATP加水分解サイクルにおいて、ミオシン分子のATP結合部位の局所的な構造が変化し、この局所構造変化がミオシン分子尾部(レバーアーム)のアクチンフィラメントに沿ったスイングを誘起する、と考えられてきた。本研究結果は、非常に興味深いことに、この仮説と真っ向から対峙するものとなった。すなわち、ATP加水分解サイクルで生じうるATP結合部位周辺の局所的構造変化は、アクチンフィラメントに沿ったレバーアームのスイングを直接的には誘起しない、という結果になった。これは、仮にレバーアームのスイングがあるとしても、直接アクトミオシンの力発生の原因にはならない、ということを示唆する。2)計算結果のモデル依存性:前述の結果が、計算モデルの精度不足によるアーテファクトであるという可能性を払拭するため、1)で用いた計算モデルを拡張し、より現実的なモデル(Goモデル、Janus-Goモデル、全原子モデル)の分子動力学計算を行った。この場合、大規模な構造変化をシミュレートするため、Transition Path Sampling法と呼ばれる手法を用い、より少ない計算コストで構造変化ダイナミクスの統計性を高める工夫をした。1)の結果は3N-6次元での主要な平衡揺らぎが反映されたものであるから、この主要平衡揺らぎのモデル依存性を調べれば良い。その結果、期待通りに主要平衡揺らぎの頑健性が示され、計算結果の信頼性が示された。3)Gアクチンの全原子モデル分子動力学シミュレーション:Gアクチン(アクチンモノマー)を水溶液中に溶解させ、平衡揺らぎダイナミクスを解析した。Gアクチンには①クレフトの開閉、および②サブドメイン2と呼ばれる部位の構造形成崩壊、という顕著な2つのダイナミクスの存在が結晶構造解析から示されており、それらがアクチンの重合やミオシンとの相互作用に影響することが示唆されてきた。今回の水溶液中のアクチン単量体の分子動力学計算によって、これら2つのダイナミクスの兆候が実際に確認することができた。これらのダイナミクスが、アクチン分子内部のATP結合部位の局所構造変化、すなわち摂動によって、応答として誘起されるか、そして、アクチンフィラメント全体にかかる張力・応力に対して個々のアクチン分子がどのように応答すのか、次の研究課題としていく。

連続体近似で非静電項を考慮した一般化Bornモデルの開拓

2019年度

研究成果概要:蛋白質の分子動力学計算では溶媒の水を連続誘電体として扱う一般化ボルン(GB)モデルと溶媒露出面積(SA)モデルを組み合わせたGB/SAモデルが広く用いられている。SAモデルでは水和自由エネルギーの非静電項を溶媒露出表面積の1次関数...蛋白質の分子動力学計算では溶媒の水を連続誘電体として扱う一般化ボルン(GB)モデルと溶媒露出面積(SA)モデルを組み合わせたGB/SAモデルが広く用いられている。SAモデルでは水和自由エネルギーの非静電項を溶媒露出表面積の1次関数で近似し、1次の係数には正の値が用いられてきた。本研究ではGB/SAモデルによる蛋白質間相互作用計算の改善のため、水和自由エネルギーの非静電項の溶媒露出表面積による評価方法を検討した。また、Bornモデルの要となる物理量である水の誘電率を昨年に引き続いて解析し、境界条件を考慮した厳密な表式を用いて疎水性表面近傍の誘電率を計算し、昨年度の結果をより強固なものにした。

運動超分子マシナリーでクーロン力がどう使われるか

2015年度

研究成果概要:本研究では運動超分子マシナリーの力発生機構と制御機構においてクーロン相互作用がどのように使われているかを探るため、複数の運動超分子マシナリーを対象とし、各系で長時間分子動力学シミュレーションを行い、動態解析および相互作用解析を行っ...本研究では運動超分子マシナリーの力発生機構と制御機構においてクーロン相互作用がどのように使われているかを探るため、複数の運動超分子マシナリーを対象とし、各系で長時間分子動力学シミュレーションを行い、動態解析および相互作用解析を行った。ミオシンについては、力学的入力、静電的入力に対して分子内のクーロン相互作用ネットワークが長距離にわたって連鎖的・協調的にアロステリック応答することが分かり、「圧電アロステリー」、「誘電アロステリー」という新しい概念を提唱するに至った。アクチンフィ ラメントの圧電アロステリー、局所クーロン引力と大域クーロン斥力のバランスについても解析を進め、成果を得た。

現在担当している科目

科目名開講学部・研究科開講年度学期
理工学基礎実験1B IIIブロック基幹理工学部2021秋学期
理工学基礎実験1B IIIブロック創造理工学部2021秋学期
理工学基礎実験1B IIIブロック先進理工学部2021秋学期
力学C 応化(物理未履修者用クラス)先進理工学部2021春学期
基礎電磁気学 応化(未履修者)先進理工学部2021秋学期
理工学基礎実験2B 化学先進理工学部2021秋学期
理工学基礎実験2B 生医先進理工学部2021秋学期
物理入門 (応物)先進理工学部2021春学期
物理入門 (物理)先進理工学部2021春学期
物理入門 (応物) 【前年度成績S評価者用】先進理工学部2021春学期
物理入門 (物理) 【前年度成績S評価者用】先進理工学部2021春学期
応用物理学実験B先進理工学部2021通年
物理実験B先進理工学部2021通年
応用物理学実験B 【前年度成績S評価者用】先進理工学部2021通年
物理実験B  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2021通年
卒業研究先進理工学部2021通年
卒業研究【前年度成績S評価者用】先進理工学部2021通年
物理実験A先進理工学部2021通年
物理実験A  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2021通年
生物物理学A先進理工学部2021春学期
生物物理学A先進理工学部2021春学期
生物物理学A  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2021春学期
生物物理学A  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2021春学期
卒業研究先進理工学部2021通年
卒業研究  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2021通年
Graduation Thesis A (Physics)先進理工学部2021秋学期
Graduation Thesis A (Physics) [S Grade]先進理工学部2021秋学期
Graduation Thesis A (Applied Physics)先進理工学部2021秋学期
Graduation Thesis A (Applied Physics) [S Grade]先進理工学部2021秋学期
Graduation Thesis B (Physics)先進理工学部2021春学期
Graduation Thesis B (Physics) [S Grade]先進理工学部2021春学期
Graduation Thesis B (Applied Physics)先進理工学部2021春学期
Graduation Thesis B (Applied Physics) [S Grade]先進理工学部2021春学期
Scientific Research先進理工学部2021春学期
Current Topics in Physics先進理工学部2021秋学期
Current Topics in Physics先進理工学部2021秋学期
Current Topics in Physics先進理工学部2021秋学期
Current Topics in Physics [S Grade]先進理工学部2021秋学期
Graduation Thesis Spring先進理工学部2021春学期
Graduation Thesis Fall先進理工学部2021秋学期
計算科学クラスター演習大学院先進理工学研究科2021春学期
Research on Theoretical Biophysics大学院先進理工学研究科2021通年
理論生物物理学研究大学院先進理工学研究科2021通年
計算生物物理学特論大学院基幹理工学研究科2021秋学期
計算生物物理学特論大学院創造理工学研究科2021秋学期
Computational Biophysics大学院先進理工学研究科2021秋学期
理論生物物理学特論大学院先進理工学研究科2021秋学期
理論生物物理学特論大学院先進理工学研究科2021秋学期
計算生物物理学特論大学院先進理工学研究科2021秋学期
Seminar on Simulations in Biophysics A大学院先進理工学研究科2021春学期
シミュレーション生物物理学演習A大学院先進理工学研究科2021春学期
シミュレーション生物物理学演習A大学院先進理工学研究科2021春学期
Seminar on Simulations in Biophysics B大学院先進理工学研究科2021秋学期
シミュレーション生物物理学演習B大学院先進理工学研究科2021秋学期
シミュレーション生物物理学演習B大学院先進理工学研究科2021秋学期
理論生物物理学研究大学院先進理工学研究科2021通年
理論生物物理学研究大学院先進理工学研究科2021通年
物理学及応用物理学海外特別演習A大学院先進理工学研究科2021通年
物理学及応用物理学海外特別演習B大学院先進理工学研究科2021通年
物理学及応用物理学海外特別演習C大学院先進理工学研究科2021通年
物理学及応用物理学海外特別演習D大学院先進理工学研究科2021通年
理論生物物理学研究大学院先進理工学研究科2021通年
物理学及応用物理学研究A 高野 光則大学院先進理工学研究科2021通年