TAKANO, Mitsunori

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Affiliation

Faculty of Science and Engineering, School of Advanced Science and Engineering

Job title

Professor

Homepage URL

http://www.tb.phys.waseda.ac.jp/

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Concurrent Post 【 display / non-display 】

  • Faculty of Science and Engineering   Graduate School of Advanced Science and Engineering

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Research Institute 【 display / non-display 】

  • 2020
    -
    2022

    理工学術院総合研究所   兼任研究員

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Education 【 display / non-display 】

  • 　
    -
    1999

    University of Tokyo   Graduate School of Arts and Sciences   Biophysics  

  • 　
    -
    1999

    University of Tokyo   Graduate School of Arts and Sciences   Biophysics  

  • 　
    -
    1994

    University of Tokyo   Faculty of Liberal Arts   Department of Pure and Applied Sciences  

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Degree 【 display / non-display 】

  • University of Tokyo   Doctor of Philosophy

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Research Experience 【 display / non-display 】

  • 2009
    -
    　

    Graduate School of Science and Engineerging, Waseda University   Dept of Pure and Applied Physics   Professor

  • 2005
    -
    　

    School of Science and Engineerring, Waseda University   Dept of Physics   Associate Professor

  • 2004
    -
    2005

    School of Science and Engineerring, Waseda University   Dept of Physics   Assistant Professor

  • 1999
    -
    2004

    Graduate School of Arts and Sciences, University of Tokyo,   Institute of Physics   Assistant Professor

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Professional Memberships 【 display / non-display 】

  • 　
    　
    　

    Protein Society

  • 　
    　
    　

    Biophysical Society

  • 　
    　
    　

    Physical Society of Japan

  • 　
    　
    　

    Biophysical Society of Japan

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Research Areas 【 display / non-display 】

  • Biophysics, chemical physics and soft matter physics

  • Biophysics

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Research Interests 【 display / non-display 】

  • protein, biomolecular system, molecular motor, molecular machine, molecular dynamics, numerical analysis, computer simulation, intermolecular interaction, non-linear statistical physics, physical property of water, structure-function relationship, molecular recognition, network, Brownian ratchet mechanism, energy conversion mechanism, allostery

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Papers 【 display / non-display 】

  • Ohnuki et al. Reply

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

    Physical Review Letters   123   049602  2019.07

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

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

      9   9341  2019.06  [Refereed]

  • Hydrophobic surface enhances electrostatic interaction in water

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

    Physical Review Letters   121  2018.11

    DOI

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

    M Takano

    The Role of Water in ATP Hydrolysis Energy Transduction by Protein Machinery     113 - 122  2018.05

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

    Hideo Ozawa, Koji Umezawa, Mitsunori Takano, Shoichiro Ishizaki, Shugo Watabe, Yoshihiro Ochiai

    Biochemical and Biophysical Research Communications   498 ( 1 ) 119 - 124  2018.03

    　View Summary

    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.

    DOI PubMed

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Books and Other Publications 【 display / non-display 】

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

    Makoto Suzuki edit( Part： Contributor)

    Springer Nature Singapore  2018 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( Part： Contributor)

    化学同人  2017 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( Part： Contributor)

    共立出版  2011 ISBN: 9784320034501

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Research Projects 【 display / non-display 】

  • Clarification of Ubiquitous Proton Function in Photoreceptive Proteins by Quantum Molecular Dynamics Simulations

    Project Year :

    2018.06
    -
    2023.03
     

  • Piezoelectric effect in proteins: a novel mechanism of allostery

    Project Year :

    2016.04
    -
    2019.03
     

    　View Summary

    The vital activities of living organisms are ultimately based on the functions of protein molecules and the highly-organized intermolecular interaction network among the proteins and other biomolecules. The motility, for example, is based on the association and dissociation dynamics of actin and myosin molecules that is regulated by ATP (energy-supplying biomolecule). In this study, by using high-performance computers, we elucidated the input-output characteristics (particularly piezoelectric and dielectric responses) of the molecular device of protein to advance the physical understanding of how a single protein molecule works and how the intermolecular interactions are regulated

  • Actin structural polymorphism machinery that orchestrates amoeba motility

    Project Year :

    2012.06
    -
    2017.03
     

    　View Summary

    (1) It had been shown that cofilin binds cooperatively to actin filaments (AFs) forming clusters, and that the helix of AF in the cluster is supertwisted. We demonstrated that the conformational changes in AF are propagated to the neighboring bare zone on the pointed end side of the cluster, which leads to unidirectional growth of cofilin clusters along AFs. (2) In contrast, we found that transient interactions of AFs with S1 in the presence of ATP induce a different, untwisting conformational changes to AFs, which strongly inhibit cofilin binding. Thus, we showed that the two actin binding proteins (ABPs) induce different cooperative conformational changes to AFs, leading to enhancement or inhibition of ABP binding. Based on the results of those in vitro experiments, we proposed that cooperative conformational changes of AFs play major roles in specifying the functions of AF in vivo. (3) Consistent with this hypothesis, we demonstrated that AFs in cells are polymorphic

  • アクチンの構造多型性・協同性・応答特性の分子機構

    Project Year :

    2013.04
    -
    2015.03
     

    　View Summary

    アクチンが主役の運動超分子マシナリーの運動機構と制御機構の物理メカニズムを分子動力学計算による構造・エネルギー・ダイナミクスの三位一体の立場から研究した。まず、マシナリーの基本となるアクチンモノマーの物性解析を行った。長時間の全原子MD計算データを用いた高い統計精度での解析により、モノマーが複数の準安定状態（多型性）をもつこと、準安定状態の分布がアクチンに結合しているヌクレオチド状態によって制御されていること（ATP結合状態とADP結合状態で分布が異なること）が分かった。アクチンモノマーのこれらの基本物性によってフィラメントのプラス端（ATP結合状態）とマイナス端（ADP結合状態）との間に違いが生じ、この違いによってフィラメントのマイナス端の方がエネルギー的により不安定になることが分かった。この結果はアクチンフィラメントのトレッドミル運動の物理メカニズムそのものに関わる重要性をもつ。つぎに、モノマー構造状態のヌクレオチド依存性の背後にある物理メカニズム（アロステリック機構）の研究を進めた。分子内の静電相互作用ネットワーク、および力伝搬ネットワークの解析を行った結果、ATP状態からADP状態への変化にともない、分子内のネットワークが大きく変化すること、それによってヌクレオチド依存的な構造状態変化をもたらされることが分かった。モノマーの基本物性として、コフィリン結合を協同的に阻害するG146V 変異体の解析を行ったところ、変異部位から40Åも離れた領域の揺らぎが変化することが見いだされた。こららの研究結果を基盤として、アクチンフィラメントに外力を付加したときの応答特性の解析、アクチンとアクチン結合蛋白質（一例としてミオシン）と結合エネルギー解析を行った。27年度が最終年度であるため、記入しない。27年度が最終年度であるため、記入しない

  • Analysis on the structural polymorphism of IDPs by computer simulation

    Project Year :

    2009.04
    -
    2014.03
     

    　View Summary

    Computer simulations were performed to physico-chemically understand the coupled folding and binding of intrinsically disordered proteins (IDPs). We expressed the system (IDP, its partner molecule, and solvent molecules) by an all-atom model, and an effective conformational sampling method, multicanonical molecular dynamics, was applied to the system. We visualized the fine structure of a free-energy landscape of the coupled folding and binding of the system. The free-energy landscape consisted of the native-like complex cluster and small non-native complex clusters, where free-energy barriers separated the clusters. Then, to understand the precise free-energy landscape from a more physical point of view, we used a coarse-grained model. The inter-cluster conformational transitions were explained by cooperative and competitive interactions in IDPs

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Specific Research 【 display / non-display 】

  • 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  

    　View Summary

    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。

  • 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  

    　View Summary

    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。

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

    2018  

    　View Summary

    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。

  • 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  

    　View Summary

    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。

  • 細胞骨格フィラメントの分子動力学と細胞動力学

    2006  

    　View Summary

    　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。

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Syllabus 【 display / non-display 】

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