高野 光則 (タカノ ミツノリ)

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所属

理工学術院 先進理工学部

職名

教授

ホームページ

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

兼担 【 表示 / 非表示

  • 理工学術院   大学院先進理工学研究科

学内研究所等 【 表示 / 非表示

  • 2020年
    -
    2022年

    理工学術院総合研究所   兼任研究員

学歴 【 表示 / 非表示

  •  
    -
    1999年

    東京大学   総合文化研究科   広域科学専攻  

  •  
    -
    1999年

    東京大学   総合文化研究科   広域科学専攻  

  •  
    -
    1994年

    東京大学   教養学部   基礎科学科  

学位 【 表示 / 非表示

  • 東京大学   博士(学術)

経歴 【 表示 / 非表示

  • 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

  • 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

  • 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

所属学協会 【 表示 / 非表示

  •  
     
     

    Protein Society

  •  
     
     

    Biophysical Society

  •  
     
     

    日本物理学会

  •  
     
     

    日本生物物理学会

 

研究分野 【 表示 / 非表示

  • 生物物理、化学物理、ソフトマターの物理

  • 生物物理学

研究キーワード 【 表示 / 非表示

  • 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

論文 【 表示 / 非表示

  • Ohnuki et al. Reply

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

    Physical Review Letters   123   049602  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, M Takano

    Scientific Reports   9   9341  2019年06月  [査読有り]

  • Hydrophobic surface enhances electrostatic interaction in water

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

    Physical Review Letters   121  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 Machinery     113 - 122  2018年05月

  • 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年03月

     概要を見る

    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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書籍等出版物 【 表示 / 非表示

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

    Makoto Suzuki edit( 担当: 分担執筆)

    Springer Nature Singapore  2018年 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( 担当: 分担執筆)

    化学同人  2017年 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( 担当: 分担執筆)

    共立出版  2011年 ISBN: 9784320034501

共同研究・競争的資金等の研究課題 【 表示 / 非表示

  • 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

    研究期間:

    2018年06月
    -
    2023年03月
     

  • タンパク質の圧電効果:アロステリーの新機構

    研究期間:

    2016年04月
    -
    2019年03月
     

     概要を見る

    私たち生命は、突き詰めるとタンパク質1分子の機能とそれらタンパク質分子や生体分子間の高度に制御された相互作用ネットワークによって支えられている。私たちの運動はATP(エネルギー源となる生体分子)によって制御されたミオシンとアクチン(ともにタンパク質分子)の結合と解離による。本研究では、これらタンパク質1分子がどのように機能するか、分子間相互作用がどのように制御されるかの物理基盤に解明するため、高速コンピューターを用い、分子素子として機能するタンパク質の新規の入出力特性(圧電応答と誘電応答)を明らかにした。もしミオシンの正常に機能しなくなったり、あるいはATPによるミオシンとアクチンの結合と解離の制御がうまくいかなくなることあれば、私たちの運動機能(たとえば心臓の収縮弛緩運動)は大きなダメージを受ける。タンパク質1分子がどのように機能するか、分子間相互作用がどのように制御されるかの物理基盤が明らかになればタンパク質分子物性の基礎科学として学術的意義が大きいのみならず、それらが正常に機能しなくなったときの根本的な原因究明(原因療法)につながる可能性がある

  • アメーバ運動を統御するアクチン構造多型マシナリー

    研究期間:

    2012年06月
    -
    2017年03月
     

     概要を見る

    (1)コフィリン結合によるアクチンフィラメント(AF)の構造変化がコフィリンの結合していない領域まで伝播し、それによってさらなるコフィリン結合が誘導されコフィリンクラスターが成長することを示した。 (2) ATP存在下のミオシンS1とAFの過渡的な結合が、AFに協同的な構造変化をおこし、コフィリンと結合できなくなることを示した。これらの結果により、複数のアクチン結合タンパク質の結合が、AFの協同的構造変化を介して増強し合ったり阻害しあうメカニズムを実証した。(3)細胞内のAFも構造多型性をもつことを確認し、上記のin vitroの実験結果が生理的な意味を持つことが示唆された

  • アクチンの構造多型性・協同性・応答特性の分子機構

    研究期間:

    2013年04月
    -
    2015年03月
     

     概要を見る

    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

  • 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

    研究期間:

    2009年04月
    -
    2014年03月
     

     概要を見る

    天然変性蛋白質の「折れたたみとカップルした結合」の機構を、計算機実験によって解明した。計算対象(天然変性蛋白質とパートナー分子、およびそれを取り囲む多数の溶媒分子)を全原子モデルで表現し、効率的構造探索法であるマルチカノニカル分子動力学を行った。それにより、折れたたみとカップルした結合過程の詳細な自由エネルギー地形を可視化した。実験的に決定された複合体構造以外にも、短い寿命の多様な複合体構造の存在を示した。得られた自由エネルギー地形をより大きな観点から理解するために、粗視化モデルでのサンプリングを行った。複数の準安定な複合体の間の構造遷移を、競合性と協調性の概念から表現した

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特定課題研究 【 表示 / 非表示

  • 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  

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    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年  

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    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年  

     概要を見る

    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年  

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    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年  

     概要を見る

     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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現在担当している科目 【 表示 / 非表示

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