2026/09/10 更新

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ハタケヤマ テツヒロ
畠山 哲央
HATAKEYAMA TETSUHIRO
所属
未来社会創成研究院 地球生命研究所 准教授
職名
准教授
プロフィール

こんにちは!

外部リンク

学位

  • 博士(学術) ( 2014年3月   東京大学 )

研究分野

  • ライフサイエンス / 生物物理学

  • 自然科学一般 / 生物物理、化学物理、ソフトマターの物理

経歴

  • 東京科学大学   未来社会創成研究院 地球生命研究所   准教授

    2026年1月 - 現在

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論文

  • Thermodynamic Cost-Controllability Tradeoff in Metabolic Currency Coupling

    Jumpei F. Yamagishi, Tetsuhiro S. Hatakeyama

    PRX Life   2026年9月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1103/4bqh-zhry

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  • Evolvability of the toxin-adaptation system in yeast

    Tetsuhiro S. Hatakeyama, Kunihiko Kaneko, Kunihiro Ohta, Arisa H. Oda

    Journal of The Royal Society Interface   23 ( 240 )   2026年7月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:The Royal Society  

    Abstract

    Crises such as starvation pose a serious threat to microbial populations, prompting cells to adopt survival strategies, such as cooperation or competition. Although cooperation among clones is common, recent studies have shown that yeast cells can kill clonal cells under glucose depletion by secreting autotoxins. Adapted cells survive, whereas non-adapted latecomers are eliminated. Remarkably, this toxin-adaptation (TA) system, which uses the same set of autotoxins, is conserved across distantly related yeast species. This is puzzling because conventional toxin-immunity (TI) systems are prone to exploitation by ‘cheaters’, cells that benefit from immunity without producing toxins, and typically diverge in an evolutionary arms race. To investigate how this system is maintained, we analysed its evolutionary stability using population dynamics modelling. The system does not evolve in constant environments: cheaters outcompete adaptive cells during continuous starvation, while sensitive cells that produce neither toxin nor immunity dominate in continuous nutrient-rich conditions. However, when the environment switches stochastically between starvation and nutrient-rich phases, with short starvation periods and long nutrient-rich periods, the TA system becomes evolutionarily stable. These findings suggest that fluctuating environments can promote the emergence and long-term maintenance of the TA system, highlighting the critical role of environmental switching in shaping microbial survival strategies.

    DOI: 10.1098/rsif.2026.0345

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  • Enzyme as Maxwell’s Demon: Steady-State Deviation from Chemical Equilibrium by Enhanced Enzyme Diffusion 国際誌

    Shunsuke Ichii, Tetsuhiro S. Hatakeyama, Kunihiko Kaneko

    Physical Review Letters   136 ( 3 )   038401 - 038401   2026年1月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    Enhanced enzyme diffusion (EED), in which the diffusion coefficient of an
    enzyme transiently increases during catalysis, has been extensively reported
    experimentally. We numerically and analytically demonstrate that such enzymes
    can act as Maxwell's demons. They use their enhanced diffusion as a memory of
    the previous catalytic reaction, to gain information and drive steady-state
    chemical concentrations away from chemical equilibrium. Our theoretical
    analysis identifies the conditions for this process, highlighting the
    functional role of EED and its relevance to cellular systems.

    DOI: 10.1103/flv6-zw1v

    PubMed

    arXiv

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    その他リンク: http://arxiv.org/pdf/2503.17584v2

  • Anti-aligning Self-propelled Model of Two Species: Emergence of Self-organized Heterogeneous Aligned and Clustered Order

    Takahiro Oki, Tetsuhiro S. Hatakeyama, Seiya Nishikawa, Shuji Ishihara, Toshinori Namba

    Journal of the Physical Society of Japan   2026年1月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    Self-propelled particles with anti-aligning interactions generally do not
    form a polar order. However, in this Letter, we show that when multiple types
    of such particles coexist and interact through aligning interactions between
    different species, a global polar order can emerge through the formation of
    elongated clusters with alternating domains of each species. By developing a
    mean-field theory, we reveal the conditions for cluster formation and
    characterize the resulting patterns. Our findings highlight the critical role
    of inter-species interactions in the emergence of complex ordered states.

    DOI: 10.7566/JPSJ.95.013001

    arXiv

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    その他リンク: http://arxiv.org/pdf/2502.16821v1

  • Global constraint principle for microbial growth laws 国際誌

    Jumpei F. Yamagishi, Tetsuhiro S. Hatakeyama

    Proceedings of the National Academy of Sciences   122 ( 40 )   e2515031122   2025年10月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    Monod's law is a widely accepted phenomenology for bacterial growth. Since it
    has the same functional form as the Michaelis--Menten equation for enzyme
    kinetics, cell growth is often considered to be locally constrained by a single
    reaction. In contrast, this paper shows that a global constraint principle of
    resource allocation to metabolic processes can well describe the nature of cell
    growth. This concept is a generalization of Liebig's law, a growth law for
    higher organisms, and explains the dependence of microbial growth on the
    availability of multiple nutrients, in contrast to Monod's law.

    DOI: 10.1073/pnas.2515031122

    PubMed

    arXiv

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    その他リンク: http://arxiv.org/pdf/2409.12482v2

  • Evolutionary Innovation by Polyploidy

    Tetsuhiro S. Hatakeyama, Ryudo Ohbayashi

    PRX Life   2024年12月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    The preferred conditions for evolutionary innovation represent a fundamental
    question, but little is known experimentally or theoretically. In this study,
    we focused on the potential role of polyploidy in the evolution of novel
    traits. We proposed a simple model and demonstrated that the evolutionary rate
    of polyploids is similar to more much slower than that of haploids under
    neutral selection or during gradual evolution. However, experiments using
    polyploid cyanobacteria demonstrated that the probability of achieving
    antibiotic resistance increased with the number of chromosomes and implied an
    optimal number of chromosomes. Then, we investigated the dynamics of the same
    model on a fitness landscape in which cells should jump over a lethal valley to
    increase their fitness. The evolutionary rate could be increased in polyploidy,
    and the optimal number of chromosomes was identified. Further, we proposed that
    the optimization for evolutionary innovation might determine the number of
    chromosomes in polyploid bacteria.

    DOI: 10.1103/PRXLife.2.043021

    arXiv

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    その他リンク: http://arxiv.org/pdf/2211.00581v1

  • Active thermodynamic force driven mitochondrial alignment

    Masashi K. Kajita, Yoshiyuki Konishi, Tetsuhiro S. Hatakeyama

    Physical Review Research   6 ( 2 )   2024年4月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.L022024

    Scopus

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  • Linear Response Theory of Evolved Metabolic Systems

    Jumpei F. Yamagishi, Tetsuhiro S. Hatakeyama

    Physical Review Letters   131 ( 2 )   2023年7月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:American Physical Society (APS)  

    DOI: 10.1103/physrevlett.131.028401

    PubMed

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    その他リンク: http://harvest.aps.org/v2/journals/articles/10.1103/PhysRevLett.131.028401/fulltext

  • A linear reciprocal relationship between robustness and plasticity in homeostatic biological networks

    Tetsuhiro S. Hatakeyama, Kunihiko Kaneko

    PLOS ONE   18 ( 1 )   e0277181 - e0277181   2023年1月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Public Library of Science (PLoS)  

    In physics of living systems, a search for relationships of a few macroscopic variables that emerge from many microscopic elements is a central issue. We evolved gene regulatory networks so that the expression of core genes (partial system) is insensitive to environmental changes. Then, we found the expression levels of the remaining genes autonomously increase to provide a plastic (sensitive) response. A feedforward structure from the non-core to core genes evolved autonomously. Negative proportionality was observed between the average changes in core and non-core genes, reflecting reciprocity between the macroscopic robustness of homeostatic genes and plasticity of regulator genes. The proportion coefficient between those genes is represented by their number ratio, as in the “lever principle”, whereas the decrease in the ratio results in a transition from perfect to partial adaptation, in which only a portion of the core genes exhibits robustness against environmental changes. This reciprocity between robustness and plasticity was satisfied throughout the evolutionary course, imposing an evolutionary constraint. This result suggests a simple macroscopic law for the adaptation characteristic in evolved complex biological networks.

    DOI: 10.1371/journal.pone.0277181

    PubMed

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  • Latecomer Killing in Yeast Populations

    Tetsuhiro S. HATAKEYAMA, Arisa H. ODA

    Seibutsu Butsuri   63 ( 6 )   316 - 319   2023年

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Biophysical Society of Japan  

    DOI: 10.2142/biophys.63.316

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  • Autotoxin-mediated latecomer killing in yeast communities

    Arisa H. Oda, Miki Tamura, Kunihiko Kaneko, Kunihiro Ohta, Tetsuhiro S. Hatakeyama

    PLOS Biology   20 ( 11 )   e3001844 - e3001844   2022年11月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Public Library of Science (PLoS)  

    Cellular adaptation to stressful environments such as starvation is essential to the survival of microbial communities, but the uniform response of the cell community may lead to entire cell death or severe damage to their fitness. Here, we demonstrate an elaborate response of the yeast community against glucose depletion, in which the first adapted cells kill the latecomer cells. During glucose depletion, yeast cells release autotoxins, such as leucic acid and L-2keto-3methylvalerate, which can even kill the clonal cells of the ones producing them. Although these autotoxins were likely to induce mass suicide, some cells differentiated to adapt to the autotoxins without genetic changes. If nondifferentiated latecomers tried to invade the habitat, autotoxins damaged or killed the latecomers, but the differentiated cells could selectively survive. Phylogenetically distant fission and budding yeast shared this behavior using the same autotoxins, suggesting that latecomer killing may be the universal system of intercellular communication, which may be relevant to the evolutional transition from unicellular to multicellular organisms.

    DOI: 10.1371/journal.pbio.3001844

    PubMed

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  • Dynamical systems theory of cellular reprogramming

    Yuuki Matsushita, Tetsuhiro S. Hatakeyama, Kunihiko Kaneko

    Physical Review Research   4 ( 2 )   2022年4月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:American Physical Society ({APS})  

    DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.L022008

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  • Microeconomics of Metabolism: The Warburg Effect as Giffen Behaviour

    Jumpei F. Yamagishi, Tetsuhiro S. Hatakeyama

    Bulletin of Mathematical Biology   83 ( 12 )   2021年10月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Springer Science and Business Media LLC  

    Abstract

    Metabolic behaviours of proliferating cells are often explained as a consequence of rational optimization of cellular growth rate, whereas microeconomics formulates consumption behaviours as optimization problems. Here, we pushed beyond the analogy to precisely map metabolism onto the theory of consumer choice. We thereby revealed the correspondence between long-standing mysteries in both fields: the Warburg effect, a seemingly wasteful but ubiquitous strategy where cells favour aerobic glycolysis over more energetically efficient oxidative phosphorylation, and Giffen behaviour, the unexpected consumer behaviour where a good is demanded more as its price rises. We identified the minimal, universal requirements for the Warburg effect: a trade-off between oxidative phosphorylation and aerobic glycolysis and complementarity, i.e. impossibility of substitution for different metabolites. Thus, various hypotheses for the Warburg effect are integrated into an identical optimization problem with the same universal structure. Besides, the correspondence between the Warburg effect and Giffen behaviour implies that oxidative phosphorylation is counter-intuitively stimulated when its efficiency is decreased by metabolic perturbations such as drug administration or mitochondrial dysfunction; the concept of Giffen behaviour bridges the Warburg effect and the reverse Warburg effect. This highlights that the application of microeconomics to metabolism can offer new predictions and paradigms for both biology and economics.

    DOI: 10.1007/s11538-021-00952-x

    PubMed

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    その他リンク: https://link.springer.com/article/10.1007/s11538-021-00952-x/fulltext.html

  • Autotoxin-mediated voluntary triage in starved yeast community

    Arisa H. Oda, Miki Tamura, Kunihiko Kaneko, Kunihiro Ohta, Tetsuhiro S. Hatakeyama

    2020年10月

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    出版者・発行元:Cold Spring Harbor Laboratory  

    When organisms face crises, such as starvation, every individual should adapt to environmental changes (1, 2), or the community alters their behaviour (3–5). Because a stressful environment reduces the carrying capacity (6), the population size of unicellular organisms shrinks in such conditions (7, 8). However, the uniform stress response of the cell community may lead to overall extinction or severely damage their entire fitness. How microbial communities accommodate this dilemma remains poorly understood. Here, we demonstrate an elaborate strategy of the yeast community against glucose starvation, named the voluntary triage. During starvation, yeast cells release some autotoxins, such as leucic acid and L-2keto-3methylvalerate, which can even kill the cells producing them. Although it may look like mass suicide at first glance, cells use epigenetic “tags” to adapt to the autotoxin inheritably. If non-tagged latecomers, regardless of whether they are closely related, try to invade the habitat, autotoxins kill them and inhibit their growth, but the tagged cells can selectively survive. Phylogenetically distant fission and budding yeast (9) share this strategy using the same autotoxins, which implies that the universal system of voluntary triage may be relevant to the major evolutional transition from unicellular to multicellular organisms (10).

    DOI: 10.1101/2020.10.17.344093

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  • Functional Sensitivity and Mutational Robustness of Proteins

    Qian-Yuan Tang, Testsuhiro S. Hatakeyama, Kunihiko Kaneko

    Physical Review Research   2020年6月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1101/2020.06.12.148304

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  • Transition in relaxation paths in allosteric molecules: Enzymatic kinetically constrained model 査読

    Tetsuhiro S. Hatakeyama, Kunihiko Kaneko

    Physical Review Research   2020年1月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.012005

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  • Coordination of Polyploid Chromosome Replication with Cell Size and Growth in a Cyanobacterium. 査読

    Ohbayashi R, Nakamachi A, Hatakeyama TS, Watanabe S, Kanesaki Y, Chibazakura T, Yoshikawa H, Miyagishima SY

    mBio   10 ( 2 )   2019年4月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1128/mBio.00510-19

    Web of Science

    PubMed

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  • Metabolic dynamics restricted by conserved carriers: Jamming and feedback

    Tetsuhiro S. Hatakeyama, Chikara Furusawa

    PLOS Computational Biology   13 ( 11 )   e1005847 - e1005847   2017年11月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1371/journal.pcbi.1005847

    Web of Science

    PubMed

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  • Robustness of spatial patterns in buffered reaction-diffusion systems and its reciprocity with phase plasticity

    Tetsuhiro S. Hatakeyama, Kunihiko Kaneko

    Physical Review E   95 ( 3 )   2017年3月

  • Dynamics robustness of cascading systems

    Jonathan T. Young, Tetsuhiro S. Hatakeyama, Kunihiko Kaneko

    PLOS Computational Biology   13 ( 3 )   e1005434 - e1005434   2017年3月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1371/journal.pcbi.1005434

    Web of Science

    PubMed

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  • Reciprocity Between Robustness of Period and Plasticity of Phase in Biological Clocks

    Tetsuhiro S. Hatakeyama, Kunihiko Kaneko

    Physical Review Letters   115 ( 21 )   2015年11月

  • Kinetic Memory Based on the Enzyme-Limited Competition

    Tetsuhiro S. Hatakeyama, Kunihiko Kaneko

    PLoS Computational Biology   10 ( 8 )   e1003784 - e1003784   2014年8月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1371/journal.pcbi.1003784

    Web of Science

    PubMed

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  • Homeostasis of the period of post‐translational biochemical oscillators

    Tetsuhiro S. Hatakeyama, Kunihiko Kaneko

    FEBS Letters   588 ( 14 )   2282 - 2287   2014年5月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1016/j.febslet.2014.05.015

    Web of Science

    PubMed

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  • Generic temperature compensation of biological clocks by autonomous regulation of catalyst concentration

    Tetsuhiro S. Hatakeyama, Kunihiko Kaneko

    Proceedings of the National Academy of Sciences   109 ( 21 )   8109 - 8114   2012年5月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1073/pnas.1120711109

    Web of Science

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  • Circadian transcriptional regulation by the posttranslational oscillator without de novo clock gene expression in Synechococcus

    Norimune Hosokawa, Tetsuhiro S. Hatakeyama, Takashi Kojima, Yoshiyuki Kikuchi, Hiroshi Ito, Hideo Iwasaki

    Proceedings of the National Academy of Sciences   108 ( 37 )   15396 - 15401   2011年9月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1073/pnas.1019612108

    Web of Science

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書籍等出版物

  • システム生物学入門

    畠山, 哲央, 姫岡, 優介

    講談社  2023年11月  ( ISBN:9784065334348

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    総ページ数:vii, 279p   記述言語:日本語  

    CiNii Books

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MISC

  • Enzymatic Mpemba Effect: Slowing of biochemical reactions by increasing enzyme concentration

    Tetsuhiro S. Hatakeyama

    2024年11月

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    Increasing the enzyme concentration generally speeds up enzymatic reactions.
    However, in this Letter, we show that increasing the enzyme concentration can
    also slow down the enzymatic reaction. We consider a simple allosteric protein
    with multiple modification sites, catalyzed by two enzymes with the same
    catalytic activity, but slightly different affinities. We show that increasing
    the concentration of one enzyme can slow the relaxation to the equilibrium
    state. The mechanism for this slowing is similar the Markovian Mpemba effect,
    and we name this phenomenon as the Enzymatic Mpemba effect.

    arXiv

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    その他リンク: http://arxiv.org/pdf/2411.08058v1

  • グルコース枯渇時の酵母における自己毒素による増殖抑制~Latecomer killing現象の発見

    小田有沙, 太田邦史, 金子邦彦, 畠山哲央

    日本醸造協会誌   119 ( 11 )   2024年

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  • 酵母の集団における“latecomer killing”現象の発見

    畠山哲央, 小田有沙

    生物物理(Web)   63 ( 6 )   2023年

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  • Quantitative Relationship between Intracellular Metabolic Responses against Nutrient Conditions and Metabolic Inhibitions

    Jumpei F Yamagishi, Tetsuhiro S Hatakeyama

    2022年10月

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    Many previous studies have attempted to predict the metabolic states of cells
    assuming metabolic regulation is optimized through (sometimes artificial)
    evolution for some objective, e.g., growth rate or production of some
    metabolites. Conventional approaches, however, require identifying the
    microscopic details of individual metabolic reactions and the objective
    functions of cells, and their predictions sensitively depend on such details.
    In this study, we focus on the responses of metabolic systems to environmental
    perturbations, rather than their metabolic states themselves, and theoretically
    demonstrate a universal property of the responses independent of the systems'
    details. With the help of a microeconomic theory, we show a simple relationship
    between intracellular metabolic responses against nutrient abundance and
    metabolic inhibition due to manipulation such as drug administration: these two
    experimentally measurable quantities show a proportional relationship with a
    negative coefficient. This quantitative relationship should hold in arbitrary
    metabolic systems as long as the law of mass conservation holds and cells are
    optimized for some objectives, but the true objective functions need not be
    known. Through numerical calculations using large-scale metabolic networks such
    as the E. coli core model, we confirmed that the relationship is valid from
    abstract to detailed models. Because the relationship provides quantitative
    predictions regarding metabolic responses without prior knowledge of systems,
    our findings have implications for experimental applications in microbiology,
    systems biology, metabolic engineering, and medicine, particularly for
    unexplored organisms or cells.

    DOI: 10.1101/2022.10.26.513808

    arXiv

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    その他リンク: http://arxiv.org/pdf/2210.14508v1

  • 複数コピー染色体の複製,遺伝様式

    大林龍胆, 畠山哲央, 宮城島進也

    日本ゲノム微生物学会年会要旨集   13th   2019年

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  • ゲノム倍数性が及ぼす進化可能性~実験的検証の試み~

    大林龍胆, 畠山哲央

    日本進化学会大会プログラム・講演要旨集(Web)   20th   2018年

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  • 生体リズムの頑健性と可塑性

    畠山哲央, 金子邦彦, 金子邦彦

    生物物理(Web)   57 ( 4 )   186‐190(J‐STAGE) - 190   2017年

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:一般社団法人 日本生物物理学会  

    <p>Robustness and plasticity are important characteristics common to a variety of biological systems and have attracted much attention not only from biologists but also from physicists interested in biosystems. Whereas robustness concerns insensitivity to perturbations against external changes, plasticity concerns changeability upon external inputs. How these two properties are compatible with each other is an important question to be addressed. Recently we have uncovered universal reciprocity relationship between the robustness of period and plasticity of phase in biochemical oscillators such as circadian clocks. We review this relationship and discuss its theoretical origin and biological relevance.</p>

    DOI: 10.2142/biophys.57.186

    J-GLOBAL

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  • 27pXZD-8 酵素の取り合いを介した細胞記憶の形成(27pXZD 領域12,領域11合同 生物合同セッション(ネットワーク系など),領域12(ソフトマター物理,化学物理,生物物理))

    畠山 哲央, 金子 邦彦

    日本物理学会講演概要集   68 ( 1 )   438 - 438   2013年3月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:一般社団法人日本物理学会  

    CiNii Books

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  • 暗期におけるシアノバクテリアの遺伝子発現制御解析

    細川徳宗, 菊池欣之, 畠山哲央, 岩崎秀雄

    時間生物学   14 ( 2 )   70   2008年10月

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    記述言語:日本語  

    J-GLOBAL

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産業財産権

  • 糖飢餓条件下での微生物の増殖を抑制する物質群

    小田 有沙, 畠山 哲央, 太田 邦史

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    出願人:国立大学法人 東京大学

    出願番号:特願2019-210145  出願日:2019年11月

    公開番号:特開2021-080217  公開日:2021年5月

    J-GLOBAL

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受賞

  • Inaugural Young Investigator Award

    2024年   Asian Biophysics Association  

    Tetsuhiro S. Hatakeyama

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  • 領域11若手奨励賞

    2020年   日本物理学会   概日時計の特異な動的性質に関する理論研究

    畠山哲央

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  • Poster Prize

    2017年   EMBO Conference Quantitative Principle in Biology, EMBL Heidelberg   Reciprocity between Robustness and Plasticity as a Universal Quantitative Principle in Biology

    Tetsuhiro S. Hatakeyama

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  • 若手招待講演賞

    2016年   日本生物物理学会   生命システムの振動現象における頑健性と可塑性の互恵的関係

    畠山哲央

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共同研究・競争的資金等の研究課題

  • アクティブな熱力学的力によるミトコンドリア秩序形成と細胞内ATP分布最適化の理解

    研究課題/領域番号:26K00674  2026年4月 - 2030年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    梶田 真司, 小西 慶幸, 畠山 哲央

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    配分額:18200000円 ( 直接経費:14000000円 、 間接経費:4200000円 )

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  • 細胞分化first pathwayによる多細胞生物への大転換の理論的解析

    研究課題/領域番号:26K00061  2026年4月 - 2029年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  学術変革領域研究(B)

    畠山 哲央

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    配分額:30030000円 ( 直接経費:23100000円 、 間接経費:6930000円 )

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  • 越境する単細胞・多細胞生物

    研究課題/領域番号:26K00057  2026年4月 - 2029年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  学術変革領域研究(B)

    小田 有沙, 畠山 哲央

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    配分額:14820000円 ( 直接経費:11400000円 、 間接経費:3420000円 )

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  • ミクロ経済学と熱・統計力学を用いた代謝システムの解析

    研究課題/領域番号:21K15048  2021年4月 - 2026年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 若手研究  若手研究

    畠山 哲央

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    配分額:4810000円 ( 直接経費:3700000円 、 間接経費:1110000円 )

    最も重要な代謝システムである解糖系に対して、ミクロ経済学における消費者行動の理論で用いられる数式を適用することで、酸素があるにもかかわらずATP生産効率の悪い発酵を呼吸の代わりに用いるというガン細胞などで見られるワールブルク効果を、最適化問題として定式化し、従来提案されていたさまざまな仮説を一つの式に統合することができた。また、経済学におけるスルツキー分解を利用することで、細胞がワールブルク効果を示す場合、薬剤などで呼吸の効率を低下させると、効率が悪いはずの呼吸をより使うようになるという逆ワールブルク効果を必然的に示す、ということを見出した。この結果は、Bulletin in Mathematical Biology誌に"Microeconomics of Metabolism: The Warburg Effect as Giffen Behaviour"という題で出版された。

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  • 発生過程をつかさどる階層縦断的な時間スケール制御機構の理論的解明

    研究課題/領域番号:17H05758  2017年4月 - 2019年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型)  新学術領域研究(研究領域提案型)

    畠山 哲央

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    配分額:4290000円 ( 直接経費:3300000円 、 間接経費:990000円 )

    昨年度までの研究において、生物学的に確立したモデルであるMonod-Wyman-Changeux型のアロステリック分子のモデルにおいて、分子の修飾が同一の酵素に依存する状況では、定常状態への非常に遅くなることが見出された。これは、細胞や組織の分化や発生タイミングを決定するための基本的なメカニズムとなりうるものである。そこで、このモデルの確率的挙動を調べるために、統計力学的手法を用いてモデル化を行った。その結果、先行研究と同様に、平衡状態への遅い緩和が見られた。同時に、予想外の結果として、温度や酵素量のパラメータの変化に対して平衡状態へ緩和する軌道が転移するという現象が見られた。さらに、転移点近傍のパラメータ領域では、同一の初期条件からスタートしても平衡状態への緩和速度が各サンプル(例えば、それぞれの細胞など)によって大きく違うということがわかった。これは、たとえ同一のシステム(細胞、組織など)であっても、その時間スケールが大きく違いうるということを示唆する結果である。過去のシステム生物学の研究では、生体内分子の個数のゆらぎは大きな注目を集めてきたが、時間スケールのゆらぎは基礎的な模型の不在もあり殆ど注目を浴びることはなかった。現在、上記の結果は論文投稿中である。また、Koshland-Nemethy-Filmer型のアロステリック分子でも、同様の遅い緩和が見られたが、ゆらぎの性質は大きく異なることも見出された。この結果は、アロステリック制御さえあれば、定常状態への遅い緩和は普遍的に見出されるということを示唆する。この結果は現在論文投稿準備中である。また、本研究課題に対する考察から派生して、生体内の代謝システムに経済学で用いられる数学を適用することにより、代謝システムのコアとなる構造を抽出可能であることを見出した。この結果は現在論文投稿中である。

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  • 非コードRNAを介した遺伝子発現制御によるマクロな適応現象の解明

    研究課題/領域番号:16K18477  2016年4月 - 2019年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 若手研究(B)  若手研究(B)

    小田 有沙, 畠山 哲央

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    配分額:4030000円 ( 直接経費:3100000円 、 間接経費:930000円 )

    環境変動ストレスへの応答機構の解明は生物の適応戦略を知る上で重要である。分裂酵母ではグルコース飢餓に応答して非コードRNAに依存した遺伝子発現制御が観察される。数多くの非コードRNAの普遍的な分子機能が報告されているがその意義やダイナミクスは殆ど未解明である。本研究は、ミクロな分子レベルでの非コードRNAを介した遺伝子制御がマクロな細胞・細胞集団レベルで適応に寄与する原理を実験・理論の両面から検証した。

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  • 概日時計における頑健性と可塑性の互恵関係の理論的解析

    研究課題/領域番号:15K18512  2015年4月 - 2018年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 若手研究(B)  若手研究(B)

    畠山 哲央

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    配分額:4160000円 ( 直接経費:3200000円 、 間接経費:960000円 )

    概日時計は、温度や栄養濃度などの環境変化に対して、周期の頑健性と位相の可塑性を示すが、どのように頑健性と可塑性を両立しているのかはわかっていなかった。そこで、まず異なる複数の概日時計のモデルを理論的に解析することによって、周期が頑健になればなるほど、位相は可塑的になるという、互恵関係が成立することを明らかにした。さらに、この互恵関係は、リミットサイクル上での適応現象によって引き起こされることを明らかにした。
    また、頑健性と可塑性の互恵関係を、空間パタンや遺伝子発現ダイナミクスなどにおいても見いだすことができた。これは、互恵関係が様々な生命現象において普遍的であることを示唆する。

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  • 概日時計の温度補償性メカニズムの解析

    研究課題/領域番号:12J09660  2012年 - 2013年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 特別研究員奨励費  特別研究員奨励費

    畠山 哲央

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    配分額:1800000円 ( 直接経費:1800000円 )

    昨年度は、第一年度に新規に見出した温度補償性メカニズムであるEnzyme-limited competitionを一般化する事に成功し、温度補償性以外にも生体内リズムの周期の頑健性(化学物質の濃度変化に対するリズムの周期の頑健性(栄養補償性)など)も同様のメカニズムで説明できる事を解明した。更に、外部環境変動に対する周期の頑健性と位相の可塑性の間に、ある種の関係式が成立することを見出した。この関係式は生化学振動子一般に普遍的に適応できる事が期待できる。
    さらに、前述のenzyme-limited competitionの考え方を発展させ、他の生物学的な現象への適応を試みた。具体的な例として、Long-term potentiation (LTP)の際、神経細胞がいかに細胞レベルで蛋白質のリン酸化状態として記憶を維持するかという問題について、特に注目し研究をおこなった。従来のLTPのモデルでは、安定な状態として外部から受けた刺激に関しての記憶を埋め込むという考え方が一般的であった。それに対して、基質間での酵素の取り合いがあるような状況下において、非常に遅い動的な緩和過程に記憶を埋め込む事が可能である事を見出した。これは、今までの細胞の記憶の考え方とは一線を画するコンセプトであり、今後、理論と実験の両面で発展していく事が期待される。

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