Our goal is to describe and understand the properties of nonequilibrium and soft systems, such as living systems, using physics. In particular, based on theories such as nonequilibrium thermodynamics, information thermodynamics, and soft matter physics, we are conducting experimental research on a wide range of systems from biological systems like biomolecules, cell membranes, and cell motility to physical systems involving microscopic particles.
We are currently conducting research on the following topics:
- Nonequilibrium Thermodynamics and Information Thermodynamics in Stochastic Systems
Within cells, nanomachines known as “biomolecular machines” operate autonomously and play crucial roles. We are investigating the physics underlying this motion, focusing on keywords such as nonequilibrium, fluctuations, and information, and utilizing single-molecule experimental techniques. In particular, we believe the concept of “information” is crucial for understanding biological phenomena, and we are conducting a wide range of research, from demonstrating the fundamental concepts of “information thermodynamics” to applying them to biological systems. Furthermore, we are integrating this knowledge to take on the challenge of creating artificial molecular machines that move autonomously.
2. Physics of Active Matter
Bacteria demonstrate advanced autonomous control, such as processing external information to regulate swimming and exhibiting “chemotaxis”, that is, moving toward nutrient sources. We aim to describe and understand the behavior of these microscopic autonomous systems based on physics. In particular, we are exploring the diverse and rich phenomena that emerge when bacteria swim in groups as the physics of “active matter.”
3. The Origin of Life / Genetic Engineering (Physics of Information Replication, Origin of Genetic Information, Membrane Replication, etc.)
The so-called “origin of life”, the transition from non-living to living systems, contains rich content as a problem in physics. In particular, the origin of genetic information and self-replicating membranes are important subjects in non-equilibrium thermodynamics and soft matter physics. We investigate these topics as experimental physics through model experimental systems. Furthermore, by applying this knowledge, we aim to advance bioengineering technologies.
4. Physical Properties of Cell Membranes and Biological Functions
Cell membranes serve as the site for the expression of biological functions, and their mechanical properties, particularly membrane elasticity and fluidity, are crucial physical quantities that underpin these functions. By comparing the mechanical properties of living cell membranes in a nonequilibrium state with those of non-living cell membranes in an equilibrium state, we aim to identify the physical quantities characteristic of life and gain a deeper understanding of life from a physical perspective. Furthermore, we are applying these findings to identify differences in membrane physical properties between normal and diseased cells, and are exploring potential applications in medicine.
生命系などの非平衡かつ柔らかい系の性質を、物理の言葉で記述し理解することを目指しています。特に、非平衡熱力学、情報熱力学、ソフトマター物理学などの理論をよりどころに、生体分子、細胞膜、細胞運動などの生命系から、微小粒子を用いた物理系まで、幅広い系を対象に実験研究を進めています。
現在は以下のようなトピックについて研究を進めています。
- ゆらぐ系での非平衡熱力学と情報熱力学
細胞内では、「生体分子機械」と呼ばれるナノマシンが自律的に運動して重要な役割を担っています。その運動の背後にある物理を、非平衡、ゆらぎ、情報といったキーワードを軸に、１分子実験技術を駆使して研究しています。特に、生命現象の理解には「情報」の概念が重要と考え、「情報熱力学」の基本概念の実証から、その生命系への応用まで、幅広く研究を展開しています。さらに、これらの知識を統合し、自律的に運動する人工分子機械の創出にも挑戦しています。
2. アクティブマターの物理
バクテリアは、外界の情報を処理して遊泳を制御し、栄養源などへ向かって進む「走性」を示すなど、高度な自律制御を実現しています。私たちは、このミクロな自律系の振る舞いを、物理の言葉で記述し理解することを目指しています。特に、集団で遊泳する際に現れる多様で豊かな現象を「アクティブマター」の物理として探求しています。
3. 生命の起源 / 遺伝子工学（情報複製の物理、遺伝情報の起源、膜複製など）
無生物系から生命系へと転移するいわゆる「生命の起源」は、物理の問題としても豊かな内容を含んでいます。特に、遺伝情報や自己複製する膜の起源は、非平衡熱力学やソフトマター物理の重要な対象です。これらを、モデル実験系等を通して実験物理として探求しています。また、その知識を応用することで、バイオ工学技術の発展を目指しています。
4. 細胞膜の物性と生命機能
細胞膜は生命機能発現の場としての役割を担っており、特に膜弾性や膜流動性などの力学的特性は、生命機能を支える重要な物理量です。私たちは、非平衡状態にある生細胞膜と平衡状態にある非生細胞膜の力学的特性を比較することで「生きていることに特徴的な物理量」を抽出し、物理の観点から生命の理解を目指しています。さらにその知見を正常細胞と病変細胞の膜の物理量の差に展開し、医学への応用の可能性についても探っています。