【研究分野】生物物理・化学物理・ソフトマターの物理

【研究領域課題番号】16H04034 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

物性基礎論 / ガラス転移 / ソフトマター / 化学物理 / 非平衡物理学 / 生物物理 / レオロジー / ソフトマターの物理

【研究成果の概要】

ガラス転移現象を、シミュレーションと理論解析により開拓することを目的とした研究を行った。従来のガラス転移研究の困難の克服するために、我々は、(i) 新規の液体モデル系を採用すること、(ii) 系を空間的に非一様にすること、そして、(iii) 系を非平衡条件下に置く、などの非従来方の設定やモデルを採用した。その結果、異常なガラス相、異常な次元依存性、理想ガラス転移点近傍の熱力学異常、せん断と密度に依存する異常な非平衡相転移などを発見した。

【研究の社会的意義】

ガラス転移研究は、現在、大きなターニングポイントを迎えている。平均場理論が完成の域に到達し、ジャミング転移も含む統一理論の全貌が明らかになりつつある。臨界現象に喩えれば、ようやくCurie理論が完成した段階と言ってよい。当然、次なる最も重要な課題は、有限次元における理論の検証である。我々の研究は、従来と異なるモデル系や、ピニングなどの空間非一様性を導入すること、あるいはあえて系を非平衡状態に置くこと、など従来の正攻法とは異なるモデルやプロトコルを採用性することで、数十年におよぶガラス転移の根本問題の解決に本質的な寄与をした点で、学術的・社会的な意義がある。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2020-03-31

【配分額】16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円)

【研究分野】物理化学

【研究領域課題番号】16H04094 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

１分子イメージング / １分子観察 / 低温顕微鏡 / 抗原抗体反応 / １分子計測(SMD) / 一分子観察 / １分子観察(SMD) / 共焦点顕微鏡 / 生体分子 / 生物物理 / 化学物理

【研究成果の概要】

タンパク質は複合体をつくり生理機能を発現している。当該課題の研究目的は、その分子間相互作用を１分子観察できる光イメージング法を確立することにある。このような試みは世界的に見ても誰も成功していない。それは、分子間相互作用を研究するには、解像度1 nmで三次元全ての軸に対する空間情報を取得しなければならないからである。
このような背景から我々は、ナノメートルの分解能のクライオ蛍光顕微鏡の開発に取り組んだ。その結果、昨年、短い二本鎖DNAの両末端（長さ10 nm）を光で１分子観察することに成功した。また、分子間相互作用の観察のプラットフォームとなる非天然アミノ酸を用いた蛍光標識に成功している。

【研究の社会的意義】

当該研究は数nm～100 nmの長さを観察するという顕微鏡における空白領域を埋めるものであり、学術的にも社会的にも大きな意義があると考えている。さらに、分子間相互作用は長い間その意義が指摘されながらも研究が難しい対象であった。よって、当該研究は将来的にとてもおおきな可能性をもっていると考えられる。今後は、この顕微鏡を応用し、細胞内や生体組織内における観察を可能にすることで、医学・薬学に貢献したいと考えている。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2020-03-31

【配分額】16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円)

【研究分野】物理化学

【研究領域課題番号】15H03765 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

１分子観察 / 一分子計測(SMD) / 一分子観察 / １分子計測(SMD) / 一分子観察(SMD) / 共焦点顕微鏡 / 生体分子 / 生物物理 / 化学物理 / １分子計測（SMD) / 物理化学 / 希土類イオン / 核スピン

【研究成果の概要】

我々は、結晶中にある無数のイオン一つ一つをそれぞれ1量子ビットずつに割り当てることで、量子ビットを高度に集積することを目指して、新しい系の探索と観察する光学顕微鏡の独自開発を10年にわたり続けてきた。当該研究では、Pr3+同士の三次元相対位置を決定する場合に、遷移双極子の向きにより、20~30 nmの系統誤差が生じることが分かった。そこで、三次元のすべての軸を高精度に決定することで、この系統誤差を補正する成功した。

【研究の社会的意義】

本研究で得た二つの顕微技術は、希土類イオンの量子論理演算だけでなく、物理、化学、薬学、医学に広く使える技術である。特に、薬学医学応用にとても大きな可能性があると考えている。この技術を用いれば、細胞内部の個々の分子が分子解像度で観察できる可能性を持っている。本課題は終了したが、本研究を継続させると共に、こちらの研究も進めて行く予定である。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2019-03-31

【配分額】16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円)

【研究分野】数理物理・物性基礎

【研究領域課題番号】26800207 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

多体問題 / 集団運動 / 分子モーター / DNA / クラスター / 共鳴 / 三体問題 / 重力アシスト / 非線形力学 / 統計力学 / 天体力学 / 生物物理 / 協同現象 / 国際情報交換（米国） / 幾何学 / 化学物理 / 国際情報交換（米国、伊国） / 非平衡統計力学 / 国際情報交換（米国、ドイツ）

【研究成果の概要】

ミクロな分子運動からマクロな天体運動まで、自然の各階層における多体系の集団運動を統一的に理解することは、現代科学の重要な課題である。本研究では、非線形力学、統計力学、微分幾何学の手法を駆使してこの課題に取り組んだ。その結果、ミクロな分子運動の階層においては、回転型分子モーターの運動機構やDNAの高次らせん形成に関する新たな幾何学的モデルを提案することができた。また、原子集合体の解離運動を駆動する集団的内力の競合過程を特徴付けることができた。マクロな天体運動の階層においては、共鳴重力アシストと周期軌道の不変多様体を併用することにより、燃料消費を抑えた宇宙機の天体間遷移軌道の設計を実現した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)

【研究分野】生物物理・化学物理

【研究領域課題番号】22740276 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光合成 / 蛋白質 / 非線形光学分光 / クロロフィル / 電子移動 / プロトン移動 / 水素結合 / 構造ゆがみ / 励起エネルギー移動 / 水素結合ネットワーク / 協奏的 / 光化学系II / 水分解 / マンガンクラスター / 紅色光合成細菌 / 色素 / 生物物理 / 化学物理 / コーヒーレンス / 光合成色素蛋白質 / コヒーレンス / 電場変調吸収分光 / 四光波混合分光 / カロテノイド / 量子マスター方程式

【研究成果の概要】

植物や藻類の行う光合成では，蛋白質に埋め込まれた色素が光のエネルギーを集め，そのエネルギーを効率よく伝達している．そのエネルギーは電子移動やプロトン移動を引き起こすことに使われ，水の分解・酸素発生反応を実現している．反応のしくみを明らかにするためには，実験的にだけでなく，理論的に（計算機を用いるなどして計算することによって）アプローチすることも不可欠である．本研究では，実験結果をうまく説明できる理論を構築し，光合成蛋白質においてエネルギー伝達・電子移動・プロトン移動が起こるしくみの一端を明らかにした．

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2010-04-01 - 2014-03-31

【配分額】3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)