研究者詳細

顔写真

ナカヤマ　ヨウヘイ
中山　洋平
Yohei Nakayama
所属
大学院理学研究科　物理学専攻　領域横断物理学講座（生命非平衡物理分野）
職名
助教
学位

  • 博士（理学） （東京大学）

  • 修士（理学) （東京大学）

経歴 5

  • 2026年4月 ～ 継続中
    東北大学　大学院理学研究科　助教

  • 2022年1月 ～ 2026年3月
    東北大学　大学院工学研究科　助教

  • 2019年2月 ～ 2021年12月
    東北大学　工学部　特任助教

  • 2015年4月 ～ 2019年1月
    中央大学理工学部物理学科 助教

  • 2012年4月 ～ 2015年3月
    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）

学歴 4

  • 東京大学　理学系研究科　物理学専攻

    ～ 2015年

  • 東京大学　理学系研究科　物理学専攻

    ～ 2012年

  • 東京大学　理学部　物理学科

    ～ 2010年

  • 筑波大学附属駒場高等学校

    ～ 2006年

委員歴 1

  • 日本物理学会　正会員

    2011年 ～

所属学協会 1

  • 日本物理学会

研究キーワード 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

研究分野 1

  • 自然科学一般 / 生物物理、化学物理、ソフトマターの物理 /

受賞 1

  1. IMT11 Meeting, Poster Prize

    2014年

論文 15

  1. Experimentally achieving minimal dissipation via thermodynamically optimal transport

    Shingo Oikawa, Yohei Nakayama, Sosuke Ito, Takahiro Sagawa, Shoichi Toyabe

    Nature Communications　16　(1)　2025年12月1日

    出版者・発行元： Springer Science and Business Media LLC

    DOI： 10.1038/s41467-025-66519-9 　

    eISSN：2041-1723

  2. Efficiently Driving <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">F</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> Molecular Motor in Experiment by Suppressing Nonequilibrium Variation 査読有り

    Takahide Mishima, Deepak Gupta, Yohei Nakayama, W. Callum Wareham, Takumi Ohyama, David A. Sivak, Shoichi Toyabe

    Physical Review Letters　135　(14)　148402　2025年10月3日

    出版者・発行元： American Physical Society (APS)

    DOI： 10.1103/b24h-v7by 　

    ISSN：0031-9007

    eISSN：1079-7114

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    F 1 -ATPase ( F 1 ) is central to cellular energy transduction. Forcibly rotated by another motor F o , F 1 catalyzes adenosine triphosphate (ATP) synthesis by converting mechanical work into chemical free energy stored in the molecule ATP. The details of how F o drives F 1 are not fully understood; however, evaluating efficient ways to rotate F 1 could provide fruitful insights into this driving since there is a selective pressure to improve efficiency. Here, we show that rotating F 1 with an angle clamp is significantly more efficient than a constant torque. Our experiments, combined with theory and simulation, indicate that the angle clamp significantly suppresses the nonequilibrium variation that contributes to the futile dissipation of input work.

  3. Acceleration of enzymatic reaction-diffusion kinetics by intermediate state 査読有り

    Akihiro Fukuda, Yohei Nakayama, Shoichi Toyabe

    Physical Review E　112　(3)　034403　2025年9月3日

    出版者・発行元： American Physical Society (APS)

    DOI： 10.1103/yw21-vcr7 　

    ISSN：2470-0045

    eISSN：2470-0053

  4. Asymmetric enzyme kinetics of F1-ATPase induced by rotation-assisted substrate binding 査読有り

    Yohei Nakayama, Shoichi Toyabe

    Physical Review Research　7　(2)　023213　2025年6月2日

    出版者・発行元： American Physical Society (APS)

    DOI： 10.1103/physrevresearch.7.023213 　

    eISSN：2643-1564

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    We demonstrate asymmetric enzyme kinetics of a biomolecular motor F 1 − ATPase between synthesis and hydrolysis of adenosine triphosphate (ATP). Our experiments show that ATP hydrolysis follows Michaelis-Menten kinetics, but ATP synthesis, which is an F 1 -ATPase's primary biological role, deviates from it. Specifically, the synthesis rate is sustained even at low substrate concentrations. Analysis of a theoretical model consistent with the experimental results reveals that ATP synthesis implements a rotation-assisted mechanism, in which a limited binding rate at low substrate concentration is partially compensated for by rotation to an angle where the binding rate is high. The results may imply that F 1 − ATPase implements a regulatory mechanism of enhancing substrate binding for ATP synthesis.

  5. Stochastic order parameter dynamics for phase coexistence in heat conduction 査読有り

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

    Physical Review E　103　(6)　2021年6月16日

    出版者・発行元： American Physical Society (APS)

    DOI： 10.1103/physreve.103.062129 　

    ISSN：2470-0045

    eISSN：2470-0053

  6. Optimal Rectification without Forward-Current Suppression by Biological Molecular Motor 査読有り

    Yohei Nakayama, Shoichi Toyabe

    Physical Review Letters　126　(20)　2021年5月20日

    出版者・発行元： American Physical Society (APS)

    DOI： 10.1103/physrevlett.126.208101 　

    ISSN：0031-9007

    eISSN：1079-7114

  7. Effective Langevin equations leading to large deviation function of time-averaged velocity for a nonequilibrium Rayleigh piston 査読有り

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

    Physical Review E　103　(2)　2021年2月12日

    DOI： 10.1103/physreve.103.022125 　

    ISSN：2470-0045

    eISSN：2470-0053

  8. Tight Chemomechanical Coupling of the F1 Motor Relies on Structural Stability 査読有り

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

    Biophysical Journal　119　(1)　48-54　2020年7月

    出版者・発行元： Elsevier BV

    DOI： 10.1016/j.bpj.2020.04.039 　

    ISSN：0006-3495

  9. Harnessing random low Reynolds number flow for net migration 査読有り

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

    Physical Review E　101　(6)　063101　2020年6月3日

    出版者・発行元： American Physical Society (APS)

    DOI： 10.1103/physreve.101.063101 　

    ISSN：2470-0045

    eISSN：2470-0053

  10. Multiplicative Langevin equation to reproduce long-time properties of nonequilibrium Brownian motion 査読有り

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

    JOURNAL OF STATISTICAL MECHANICS-THEORY AND EXPERIMENT　2020　(1)　2020年1月

    DOI： 10.1088/1742-5468/ab54bc 　

    ISSN：1742-5468

  11. Unattainability of Carnot efficiency in thermal motors: Coarse graining and entropy production of Feynman-Smoluchowski ratchets 査読有り

    Yohei Nakayama, Kyogo Kawaguchi, Naoko Nakagawa

    PHYSICAL REVIEW E　98　p.022102　2018年8月

  12. Entropy anomaly and linear irreversible thermodynamics 査読有り

    Kunimasa Miyazaki, Yohei Nakayama, Hiromichi Matsuyama

    PHYSICAL REVIEW E　98　p.022101　2018年8月

  13. 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年5月7日

    出版者・発行元： Springer Singapore

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

  14. Invariance of steady-state thermodynamics between different scales of description 査読有り

    Yohei Nakayama, Kyogo Kawaguchi

    PHYSICAL REVIEW E　91　(1)　p.012115　2015年1月

    DOI： 10.1103/PhysRevE.91.012115 　

    ISSN：1539-3755

    eISSN：1550-2376

  15. Fluctuation theorem for hidden entropy production 査読有り

    Kyogo Kawaguchi, Yohei Nakayama

    PHYSICAL REVIEW E　88　(2)　p.022147　2013年8月

    DOI： 10.1103/PhysRevE.88.022147 　

    ISSN：1539-3755

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MISC 6

  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年

    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年

    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年9月23日

    出版者・発行元： 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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    &lt;p&gt;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。&lt;/p&gt;

  4. 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

    中山洋平, 川口喬吾, 中川尚子

    日本物理学会講演概要集(CD-ROM)　71　(1)　2016年

    ISSN： 2189-079X

  5. 28pXM-5 粗視化により隠れるエントロピー生成の満たす等式(28pXM 非平衡定常系1,領域11(統計力学,物性基礎論,応用数学,力学,流体物理))

    川口 喬吾, 中山 洋平

    日本物理学会講演概要集　68　(1)　388-388　2013年3月26日

    出版者・発行元： 一般社団法人日本物理学会

    ISSN： 1342-8349

  6. 28pXM-6 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(28pXM 非平衡定常系1,領域11(統計力学,物性基礎論,応用数学,力学,流体物理))

    中山 洋平, 川口 喬吾

    日本物理学会講演概要集　68　(1)　388-388　2013年3月26日

    出版者・発行元： 一般社団法人日本物理学会

    ISSN： 1342-8349

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書籍等出版物 1

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

    Springer Singapore　2018年6月

講演・口頭発表等 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年9月8日

  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年3月19日

  3. 好熱菌由来 F1-ATPase の至適生育温度における力学的仕事の測定

    第57回日本生物物理学会年会　2019年9月25日

  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年9月11日

  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年9月11日

  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年3月17日

  7. Unreliability of stochastic thermodynamics to quantify the energy balance of F1-ATPAse 国際会議 招待有り

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

  8. Measurement of Thermodynamic Efficiency of F1-ATPase at High Temperature 国際会議

    International Conference on APEF 2018　2018年11月

  9. Langevin description of rotational motion of F1-ATPase 国際会議

    NAKAYAMA Yohei

    International Conference on APEF 2018　2018年11月

  10. Thermodynamic Efficiency of F1-ATPase at High Temperature

    第56回日本生物物理学会年会　2018年9月16日

  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年9月11日

  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年9月9日

  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年9月9日

  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年3月25日

  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年3月24日

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

    日本物理学会第72回年次大会　2017年3月18日

  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年

  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年

  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年

  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年

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

    2017年

  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年

  23. Heat Dissipation from Rotating F1 Motor

    International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2017　2017年

  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年

  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年

  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年

  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年

  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年

  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年

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

    2015年

  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年

  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年

  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 招待有り

    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年3月14日

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

    11th International Meeting on Thermodiffusion　2014年

  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年

  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年

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

    Frontier of Statistical Physics and Information Processing　2013年

  38. Increase and decrease of entropy production after reducing variables

    25th IUPAP International Conference on Statistical Physics　2013年

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

    25th IUPAP International Conference on Statistical Physics　2013年

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

    3rd International Conference CODEF III 2012　2012年

  41. Excess Entropy Production Viewed at Different Scales

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

  42. Integral Fluctuation Theorem for Hidden Entropy Production

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

  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年

  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年

  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年

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

    International symposium on complex systems 2011　2011年

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共同研究・競争的資金等の研究課題 3

  1. 生体分子モーターF1への熱力学的不確定性関係の応用

    中山 洋平

    2024年4月1日 ～ 2028年3月31日

  2. 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

    提供機関：Japan Society for the Promotion of Science

    制度名：Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

    研究種目：Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

    研究機関：Tohoku University

    2019年4月 ～ 2024年3月

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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。

  3. F1-ATPaseの高効率なエネルギー変換を実現するメカニズムの解明

    中山 洋平

    提供機関：Japan Society for the Promotion of Science

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

    研究種目：Grant-in-Aid for Young Scientists (B)

    2017年4月 ～ 2020年3月

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    分子モーターのエネルギー変換効率を、エネルギー源となる化学反応に関する自由エネルギー変化を独立に測ることなく、一分子実験のみによって調べることができる方法を確立した。 一分子実験で自由エネルギー変化の値を測定する、というアプローチは、理論的に必要になる仮定が実験では成り立っていないため、うまく働かないことを発見し、その代わりとして、分子モーターのする仕事が化学反応する分子の濃度に対してどのように依存するかにもとづいて、エネルギー変換効率を評価する枠組みを開発した。