生物物理

研究室 研究室HP 研究者紹介
(理学部HP)
研究テーマ
能瀬研 home01-02 person 脳・神経系の生物物理
佐野研 home01-02 person 定量的生物物理学を目指して
樋口研 home01-02 person 生体分子ダイナミックスの生命物理学
金子研 home01-02 person 複雑系生命科学、普遍生物学、非線形動力学
岡田研 home01-02 person
古澤研 home01-02 person

生物物理学は物理学的な観点や手法を用い、生命現象の基本原理を究明することを目指す研究領域であり,その範囲は,蛋白質や核酸などの分子レベルから脳・神経系の機能など高次の生命現象を扱うものまで多岐にわたっています。
また,時間軸で見てみると,ピコ秒域の生体分子の運動から40億年に及ぶ生物進化までもが生物物理学の対象です。生物物理学は読んで字のごとく物理学と生物学との間の学際的な研究領域ですが,その取り組み方の基本は物理的立場にあり,多くの物理学者がこの分野で活躍しています。今後の21世紀においては,このような学際的研究領域に物理学がいかに関わって行くかが大きな課題の一つであり,若い意欲的な諸君の活躍が望まれています。

能瀬研究室では脳・神経系の生物物理を研究しています。脳・神経系は多数の神経細胞がシナプスという構造を介して連絡した複雑なネットワークです。このなかを電気信号が特定のパターンで伝わることが、脳機能を支えていると考えられていますが、その仕組みはほとんど謎のままです。われわれは、神経ネットワークがいかにして形成され、どのような原理にもとづいて機能するのかを、細胞・分子レベルで理解することを目標とし、モデル動物を用いた研究を行っています。一見複雑な脳のネットワークも、無秩序に張りめぐらされるのではなく、遺伝子プログラムという設計図に従って、規則正しく順序だって形成されることが最近分かってきました。われわれは、神経の正確な配線に関わる遺伝子の同定・解析を通じて、脳の設計図の解明をめざしています。また、記憶学習において顕著なように、神経ネットワークは、環境など外界からの情報に応じて、自分自身を変化させるという驚くべき性質をもっています。われわれは、その鍵を握ると考えられているシナプス可塑性(入力に応じて、シナプスの性質が変わること)の分子基盤も探っています。このため、バイオイメージング技術を用い、生きた動物の中でシナプスの構造や分子の動態を観察したり、マイクロアレイ技術を用いシナプス入力に応じて新たに発現が誘導されるような遺伝子を大規模に探索したりしています。

12図 神経細胞のイメージング装置

佐野研究室では生命現象を物理によって解き明かすことを目標に、特に生命の非平衡系としての特徴に焦点を当てた研究を行っています。分子反応の集合体である細胞が、どのようにして単なる分子の集合から統合され自律的に発生し機能を持つに至るのか、実験とモデルから生命の設計原理に迫ります。物理学から生物学への潮流は過去に何度も繰り返されてきました。ワトソン、クリックによるDNA構造の発見やマックス・デルブリックによるウイルスの増殖機構と分子生物学への貢献、チューリングによる形態形成モデルの提唱やプリゴジンによる散逸構造の研究などはその例と言えます。一方、非線形非平衡系の研究により物理系における自己組織化の理解は大きく進展しました。しかし、最も複雑な系である生命現象における自己組織化の研究はこれからです。現在、ゲノムや蛋白質構造、代謝反応などの情報は爆発的に増えています。また、細胞内の時空間構造を生きたまま可視化するイメージング技術の発達により、時空間ダイナミクスのデータが蓄積されています。これらのダイナミクスはまさに力学系として定量的に理解されるべき現象と考えられます。我々の研究室では定量的なデータを蓄積し、力学系などの物理モデルの構築を行っています。具体的には、DNAや蛋白質の構造変化と力学特性、遺伝子ネットワークのダイナミクスの実験と解析、細胞運動と細胞内時空間構造の測定と解析、人工的に構築された膜とアクチン系の実験と解析などを行っています。

樋口研究室では、神経や筋肉で働くモータータンパク質の運動を単一分子レベルで世界最高精度の測定をし、新しい分子運動メカニズムを提案しました。さらに細胞やマウスの中の1分子の挙動を1nmという精度で観察することに成功し、細胞を新しい物理学的視点で捉えることに成功しました。現在の重点研究テーマは、精度をさらに数Åに上げ神経や細胞で働くタンパク質1分子の動きを原子レベルで捉えること、および細胞内やマウス個体で起こる複雑な運動を網羅的に解析して、細胞や個体機能の普遍原理を解明することです。たとえば,細胞内をモーター分子によって輸送される小胞は,短時間では方向性のあまりない一見ランダムに見える運動であることが我々の研究でわかった.ところが,長時間経過すると小胞は核の周りに集まるといった方向性のある輸送を達成した.小胞の運動だけでなく神経における記憶を形成するまでの過程も揺らぎに支配されるに違いない。そこで「方向性」と「ランダム性」の寄与が時間と空間とともにどのように変化するのかをモデル化と数式化を行い、物理モデルの構築をおこなう。

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