Details of the Researcher

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Yohei Nakayama
Section
Graduate School of Engineering
Job title
Assistant Professor
Degree

  • 博士（理学）（東京大学）

  • 修士（理学）（東京大学）

Research History 3

  • 2015/04 - 2019/01
    Chuo University　Faculty of Science and Engineering, Department of Physics

  • 2012/04 - 2015/03
    日本学術振興会特別研究員DC1 （東京大学大学院理学系研究科）

  • 2019/02 -
    Tohoku University

Education 4

  • The University of Tokyo

    - 2015

  • The University of Tokyo

    - 2012

  • The University of Tokyo　Faculty of Science　Department of Physics

    - 2010

  • 筑波大学附属駒場高等学校

    - 2006

Committee Memberships 1

  • 日本物理学会　正会員

    2011 -

Professional Memberships 1

  • 日本物理学会

Research Interests 4

  • 生物物理学

  • 生体分子モーター

  • 非平衡統計力学

  • 非平衡熱力学

Research Areas 1

  • Natural sciences / Bio-, chemical, and soft-matter physics /

Awards 1

  1. IMT11 Meeting, Poster Prize

    2014

Papers 11

  1. Stochastic order parameter dynamics for phase coexistence in heat conduction Peer-reviewed

    Shin-ichi Sasa, Naoko Nakagawa, Masato Itami, Yohei Nakayama

    Physical Review E　103　(6)　2021/06/16

    Publisher: American Physical Society (APS)

    DOI： 10.1103/physreve.103.062129 　

    ISSN： 2470-0045

    eISSN： 2470-0053

  2. Optimal Rectification without Forward-Current Suppression by Biological Molecular Motor Peer-reviewed

    Yohei Nakayama, Shoichi Toyabe

    Physical Review Letters　126　(20)　2021/05/20

    Publisher: American Physical Society (APS)

    DOI： 10.1103/physrevlett.126.208101 　

    ISSN： 0031-9007

    eISSN： 1079-7114

  3. Effective Langevin equations leading to large deviation function of time-averaged velocity for a nonequilibrium Rayleigh piston Peer-reviewed

    Masato Itami, Yohei Nakayama, Naoko Nakagawa, Shin-ichi Sasa

    Physical Review E　103　(2)　2021/02/12

    DOI： 10.1103/physreve.103.022125 　

    ISSN： 2470-0045

    eISSN： 2470-0053

  4. Tight Chemomechanical Coupling of the F1 Motor Relies on Structural Stability Peer-reviewed

    Mana Tanaka, Tomohiro Kawakami, Tomoaki Okaniwa, Yohei Nakayama, Shoichi Toyabe, Hiroshi Ueno, Eiro Muneyuki

    Biophysical Journal　119　(1)　48-54　2020/07

    Publisher: Elsevier BV

    DOI： 10.1016/j.bpj.2020.04.039 　

    ISSN： 0006-3495

  5. Harnessing random low Reynolds number flow for net migration Peer-reviewed

    Takeru Morita, Toshihiro Omori, Yohei Nakayama, Shoichi Toyabe, Takuji Ishikawa

    Physical Review E　101　(6)　063101　2020/06/03

    Publisher: American Physical Society (APS)

    DOI： 10.1103/physreve.101.063101 　

    ISSN： 2470-0045

    eISSN： 2470-0053

  6. Multiplicative Langevin equation to reproduce long-time properties of nonequilibrium Brownian motion Peer-reviewed

    Atsumasa Seya, Tatsuya Aoyagi, Masato Itami, Yohei Nakayama, Naoko Nakagawa

    JOURNAL OF STATISTICAL MECHANICS-THEORY AND EXPERIMENT　2020　(1)　2020/01

    DOI： 10.1088/1742-5468/ab54bc 　

    ISSN： 1742-5468

  7. Unattainability of Carnot efficiency in thermal motors: Coarse graining and entropy production of Feynman-Smoluchowski ratchets Peer-reviewed

    Yohei Nakayama, Kyogo Kawaguchi, Naoko Nakagawa

    PHYSICAL REVIEW E　98　p.022102　2018/08

  8. Entropy anomaly and linear irreversible thermodynamics Peer-reviewed

    Kunimasa Miyazaki, Yohei Nakayama, Hiromichi Matsuyama

    PHYSICAL REVIEW E　98　p.022101　2018/08

  9. Ratchet model of motor proteins and its energetics

    Yohei Nakayama, Eiro Muneyuki

    The Role of Water in ATP Hydrolysis Energy Transduction by Protein Machinery　231-243　2018/05/07

    Publisher: Springer Singapore

    DOI： 10.1007/978-981-10-8459-1_14 　

  10. Invariance of steady-state thermodynamics between different scales of description Peer-reviewed

    Yohei Nakayama, Kyogo Kawaguchi

    PHYSICAL REVIEW E　91　(1)　p.012115　2015/01

    DOI： 10.1103/PhysRevE.91.012115 　

    ISSN： 1539-3755

    eISSN： 1550-2376

  11. Fluctuation theorem for hidden entropy production Peer-reviewed

    Kyogo Kawaguchi, Yohei Nakayama

    PHYSICAL REVIEW E　88　(2)　p.022147　2013/08

    DOI： 10.1103/PhysRevE.88.022147 　

    ISSN： 1539-3755

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Misc. 5

  1. ゆらぐオーダーパラメータダイナミクスによる熱伝導相共存の理論

    佐々真一, 伊丹将人, 中川尚子, 中山洋平

    日本物理学会講演概要集(CD-ROM)　74　(1)　2019

    ISSN： 2189-079X

  2. 断熱ピストン問題における長時間変位のキュムラント母関数

    伊丹將人, 中山洋平, 中川尚子, 佐々真一

    日本物理学会講演概要集(CD-ROM)　74　(2)　2019

    ISSN： 2189-079X

  3. F1‐ATPaseのP‐loop変異体TF1(βG158A)のリン酸解離角度の解明

    成田宏夏, 星名仁志, 吉田光, 中山洋平, 鳥谷部祥一, 上野博史, 宗行英朗

    日本物理学会講演概要集(CD-ROM)　71　(2)　ROMBUNNO.14pBE‐9-3051　2016/09/23

    Publisher: 一般社団法人 日本物理学会

    DOI： 10.11316/jpsgaiyo.71.2.0_3051 　

    ISSN： 2189-079X

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    <p>ATP合成酵素であるF1-ATPaseの反応スキームについて生成物のADPとPiの解離の関係におけるモデルが2つ考えられている。2010年に渡邊らはADPよりもPiが先に解離することを報告したが、下らはADPはPiよりも後に解離することを報告した。そこで、本研究で、私たちは変異体を用いてこの問題を議論することにした。P-loop変異体TF1（βG158A）を用いた一分子回転観察実験を行い、ATP加水分解とPi解離が遅いことを確認した。更に、ハイブリッドF1変異体を作成し、同様に回転実験から得られたdwell timeの解析を行うことで、PiはADPよりも先に解離するモデルを示唆する結果を得た。</p>

  4. 28pXM-5 Integral fluctuation theorem for hidden entropy production

    Kawaguchi Kyogo, Nakayama Yohei

    Meeting abstracts of the Physical Society of Japan　68　(1)　388-388　2013/03/26

    Publisher: The Physical Society of Japan (JPS)

    ISSN： 1342-8349

  5. 28pXM-6 Hidden Entropy Production Does Not Affect the Second Laws of Nonequilibrium Thermodynamics

    Nakayama Yohei, Kawaguchi Kyogo

    Meeting abstracts of the Physical Society of Japan　68　(1)　388-388　2013/03/26

    Publisher: The Physical Society of Japan (JPS)

    ISSN： 1342-8349

Books and Other Publications 1

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

    Springer Singapore　2018/06

Presentations 46

  1. 自由エネルギーの浪費を抑えるF1-ATPaseの速度論的制御機構

    中山洋平, 鳥谷部祥一

    日本物理学会 2020年秋季大会　2020/09/08

  2. F1-ATPaseにおけるATP合成/分解の非対称性

    中山洋平, 鳥谷部祥一

    日本物理学会 第75回年次大会　2020/03/19

  3. The Measurement of Mechanical Work of Thermophilic F1-ATPase at the Optimum Growth Temperature

    Tomoaki Okaniwa, Yohei Nakayama, Naoya Terahara, Eiro Muneyuki

    The 57th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan　2019/09/25

  4. 断熱ピストン問題における長時間変位のキュムラント母関数

    伊丹將人, 中山洋平, 中川尚子, 佐々真一

    日本物理学会 2019年秋季大会　2019/09/11

  5. 方向性ブラウン運動の変位の三次キュムラントを再現する有効ランジュバン方程式

    瀬谷敦雅, 伊丹將人, 中山洋平, 中川尚子

    日本物理学会 2019年秋季大会　2019/09/11

  6. ゆらぐオーダーパラメータダイナミクスによる熱伝導相共存の理論

    佐々真一, 伊丹將人, 中川尚子, 中山洋平

    日本物理学会 第74回年次大会　2019/03/17

  7. Unreliability of stochastic thermodynamics to quantify the energy balance of F1-ATPAse International-presentation Invited

    NAKAYAMA Yohei

    Sendai Workshop 2018, An Update on Molecular Motors: Open Challenges and New Perspectives　2018/11

  8. Measurement of Thermodynamic Efficiency of F1-ATPase at High Temperature International-presentation

    OKANIWA Tomoaki

    International Conference on APEF 2018　2018/11

  9. Langevin description of rotational motion of F1-ATPase International-presentation

    NAKAYAMA Yohei

    International Conference on APEF 2018　2018/11

  10. Thermodynamic Efficiency of F1-ATPase at High Temperature

    OKANIWA Tomoaki, NAKAYAMA Yohei, MUNEYUKI Eiro

    The 56th Annual Meeting of the BSJ　2018/09/16

  11. 温度上昇がF1-ATPaseのエネルギー変換効率に与える影響

    岡庭有明, 中山洋平, 宗行英朗

    日本物理学会 2018年秋季大会　2018/09/11

  12. 異常エントロピー生成と線形非平衡熱力学

    宮崎州正, 中山洋平, 松山洋道

    日本物理学会 2018年秋季大会　2018/09/09

  13. F1-ATPaseの自由エネルギー地形と反応速度係数の実験的決定

    中山洋平, 田中真奈, 宗行英朗

    日本物理学会 2018年秋季大会　2018/09/09

  14. F1-ATPaseのエネルギー変換効率と熱安定性

    岡庭有明, 田中真奈, 中山洋平, 宗行英朗

    日本物理学会 第73回年次大会　2018/03/25

  15. F1-ATPaseにゆらぎの熱力学を適用する上での困難

    飛田直通, 中山洋平, 宗行英朗

    日本物理学会 第73回年次大会　2018/03/24

  16. 一分子観察で探る F1-ATPaseの エネルギー入出力 Invited

    日本物理学会第72回年次大会　2017/03/18

  17. F1-ATPaseのP-loop変異体βG158Aにおけるリン酸解離の機構

    2017年 生体運動研究合同班会議　2017

  18. F1-ATPaseの一分子回転観察に基づくATP加水分解化学ポテンシャル差の測定

    日本物理学会第72回年次大会　2017

  19. Coupling of Mechanical Rotation and ATPase Reaction in the F1-ATPase

    「ゆらぎと構造の協奏」第4回領域研究会　2017

  20. エネルギー論と整合する F1-ATPaseの運動方程式の探索

    第7回分子モーター討論会　2017

  21. Maximum Likelihood Estimation of Stochastic Model of F1-ATPase

    2017

  22. Elucidation of the Timing of Phosphate Release during the Rotation of Thermophilic F1-ATPase

    International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2017　2017

  23. Heat Dissipation from Rotating F1 Motor

    International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2017　2017

  24. 粗視化と隠れたエントロピー生成にもとづくFeynmanラチェットの効率の解明

    日本物理学会 第71回年次大会　2016

  25. External Torque Dependency of F1 Motor Mutants

    「ゆらぎと構造の協奏」第3回領域研究会　2016

  26. F1-ATPaseのP-loop変異体TF1(βG158A)のリン酸解離角度の解明

    日本物理学会2016年秋季大会　2016

  27. F1-ATPase における隠れたエントロピー生成

    日本物理学会秋季大会　2016

  28. F1-ATPaseのP-loop変異体におけるリン酸解離の機構

    第54回日本生物物理学会年会　2016

  29. 特異摂動をもちいた環境自由度の消去による非線形Langevin方程式の導出

    日本物理学会 第70回年次大会　2015

  30. Stochastic Dynamics and Thermodynamics of Tight-Coupling Feynman’s Ratchet

    2015

  31. F1-ATPaseのP-loop変異体TF1(βG158A)とリン酸解離の関係

    第53回日本生物物理学会年会　2015

  32. 好熱菌F1のβE190残基は構造を安定化することにより、F1 の高効率エネルギー変換に貢献する

    第53回日本生物物理学会年会　2015

  33. ゆらぎの定理で捉えられないエントロピー生成とそれでも不変に保たれる構造 Invited

    新学術領域研究「ゆらぎと構造の協奏：非平衡系における普遍法則の確立」 若手研究会「ゆらぎの定理：現在と未来」　2014/03/14

  34. Ludwig-Soret effect of colloidal particles in polymer solution

    11th International Meeting on Thermodiffusion　2014

  35. 粗視化により隠れるエントロピー生成の満たす等式

    日本物理学会　2013

  36. 隠れたエントロピー生成の影響を受けない非平衡熱力学第二法則

    日本物理学会　2013

  37. Relation between Entropy Production and Path Probability in the Presence of Hidden Degrees of Freedom

    Frontier of Statistical Physics and Information Processing　2013

  38. Increase and decrease of entropy production after reducing variables

    25th IUPAP International Conference on Statistical Physics　2013

  39. Consistency of Stochastic Thermodynamics in the Different Scales of Description

    25th IUPAP International Conference on Statistical Physics　2013

  40. Soret effect of silica particles under temperature gradient -- the effect of polymer adsorption --

    3rd International Conference CODEF III 2012　2012

  41. Excess Entropy Production Viewed at Different Scales

    4th YSM-SPIP in Sendai/Prologue Series IV of FSPIP　2012

  42. Integral Fluctuation Theorem for Hidden Entropy Production

    4th YSM-SPIP in Sendai/Prologue Series IV of FSPIP　2012

  43. Laser-induced Temperature Gradient can manipulate Colloidal Particles Under A Polymer Solution

    Korea University - The University of Tokyo 1st Joint Workshop on Bio-Soft Matter　2011

  44. 高分子濃度勾配中でのコロイドの運動

    日本物理学会　2011

  45. 高分子溶液中でのコロイド粒子のSoret効果

    日本物理学会　2011

  46. The effect of polymer adsorption on the non-equilibrium transport of colloidal particles

    International symposium on complex systems 2011　2011

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Research Projects 2

  1. 物理的に妥当な関係式による生体分子モーターF1-ATPaseのエネルギー論の展開

    中山 洋平, 中村 壮伸

    Offer Organization: 日本学術振興会

    System: 科学研究費助成事業 基盤研究(B)

    Category: 基盤研究(B)

    Institution: 東北大学

    2019/04 - 2024/03

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    生体分子モーターF1-ATPaseの回転速度が、ATPをエネルギー源として分解して回転しているときとATPを合成しながら回転しているときとでは、基質であるATP・ADPの濃度に対して異なる依存性を示すことを一分子実験で明らかにした。具体的には、ATPを分解しているときには、酵素反応速度論においてよく知られているミカエリスメンテンの式に従うのに対して、ATPを合成しているときには、それよりも穏やかな基質濃度依存性を示すことが明らかになった。ATPを分解しているときと合成しているときとで回転速度に非対称性が生じることは、Harada-Sasa等式を用いて行われた先行研究の結果に基づいて理論的に予言されており、今回この予言が実験的に検証されたことは、従来のHarada-Sasa等式を用いた熱の測定の妥当性を新たな側面から支持する結果である。数値計算によって、理論的に提案されていたモデルが、今回得られた実験結果を少なくとも定性的には再現することも分かった。 ATPを分解しているときと合成しているときの回転速度の非対称性については、阻害状態と呼ばれる触媒活性を持たない状態に由来する効果も一分子実験で調べ、その結果は今回論文として出版することができた。これらの結果を組み合わせることで、生体分子モーターの設計原理にさらに迫れることが期待できる。 また、非平衡状態において起こりうる新奇な現象を探索するという動機で行った、非平衡定常状態における相共存に関する理論的な研究についても、論文として出版することができた。

  2. Elucidation of mechanism behind highly efficient energy transduction of F1-ATPase

    NAKAYAMA Yohei

    Offer Organization: Japan Society for the Promotion of Science

    System: Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Young Scientists (B)

    Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)

    2017/04 - 2020/03

    More details Close

    We established a way to investigate the energy transduction efficiency of molecular motors in single molecule experiments without measuring independently the free energy change associated with chemical reactions. We revealed that the free energy change may not be obtained only from single molecule experiments, since a theoretical assumption is not always valid in the experimental situations. Instead, we developed a framework where the energy transduction efficiency is evaluated from the dependence of the work done by molecular motors on the concentrations of molecules involved in the chemical reaction.