教員・研究室

生命の設計図はDNAの中に書かれている。そこに書かれている情報は蛋白質を作るための20種類のアミノ酸の並べ方（1次元配列）である。蛋白質はアミノ酸が重合した高分子で、つまりは原子の集まりである。しかし、それはランダムな集まりではなく、設計（デザイン）された集まりである。設計図に従って特定のアミノ酸の並びになった直鎖状の蛋白質分子は、その後、特定の立体構造を自発的に形成する。そして分子同士が自発的に集まり散じ、「分子素子（molecular device）」、「分子機械（molecular machine)」として機能する。たとえば私たちの運動機能（筋収縮や心臓拍動）はアクチンとミオシンという2種類の蛋白質が時々刻々と結合・解離する「分子機械」によって駆動されている。

分子機械はいわゆる「機械」のイメージとは異なり、構造安定性がごくわずかしかない。そんなにもろくて柔らかい分子機械がどうやって機能することができるのだろうか？　また、分子機械が能動的に機能するためにエネルギーが必要であるが、ナノメートル・サイズの極微の分子機械はどんな種類のエネルギーをどう使っているのだろうか？　さらに生命システムという巨大集積回路において、「分子素子」としての蛋白質はどのように情報を記憶し、処理・伝達しているのであろうか？　

本研究室では計算物理と最新コンピュータ（GPU）を用い、分子機械、分子素子、生命システムの動作機構と制御機構の解明に原子・分子のレベルから迫っている。

⽣物に関⼼のある⼈はもちろん、これまで⽣物に関⼼が無かった⼈も、物理学が挑むべき最重要課題の⼀つが⽣命現象の理解であることを本学科で実感してください。40億年かけて進化してきた⽣命システムの物理的理解はこれからの医学、薬学、工学に新展開をもたらすはずです。

The fundamental design of life is written in DNA. The information written there is the arrangement of the 20 amino acids (one-dimensional sequence) used to make proteins. A protein is a polymer composed of amino acids, in other words, a collection of atoms. However, it is not a random collection, but a designed collection. The synthesized amino-acid chain spontaneously forms a specific three-dimensional structure. Protein molecules then spontaneously assemble and disperse, functioning as a “molecular device” or “”molecular machine””. For example, our ability to move (muscle contraction) is driven by the molecular machines in which two types of proteins, actin and myosin, bind and dissociate dynamically.

Unlike the general notion of a “machine,” molecular machines are marginally stable. Then, how can such fragile and soft molecular machines function?　Also, how does a nanometer-size molecular machine use the energy it needs to actively function?　Furthermore, how do proteins as the molecular devises store, process, and transmit information in the huge integrated circuits of living systems?

Using computational physics and state-of-the-art computers (GPUs), we are going to clarify the operating and regulating mechanisms of molecular machines, molecular devices, and living systems from the atomic and molecular levels.

Those who are interested in living organisms and those who are not interested in living organisms will find in this department that one of the most important challenges of physics is to understand the phenomena of living organisms.  The physical understanding of the living system, which has evolved over 4 billion years, will bring about new developments in medicine, pharmacy and engineering