（日本語での説明はページ下部をご覧ください）
Biophysics and Bioengineering
1. Physics of fluctuation and information in the microscopic world
We aim to construct new physics at the nanoscale involving fluctuation and information. We exploit the experimental verification of the fundamental theory of nonequilibrium statistical physics and its application to life phenomena.
Single-molecule experimental thermodynamics of biological molecular motor
A machine that works on a nano-sized scale has an operating principle different from a macroscopic machine. We are trying to reveal the physics behind the biological molecular machinery in terms of energetics, fluctuations, and information.
[S. Toyabe, T. Okamoto, T. Watanabe-Nakayama, H. Taketani, S. Kudo, and E. Muneyuki, Phys. Rev. Lett. (2010)]
Information thermodynamics
Maxwell’s demon exploits “information” for extracting work. The information is an important concept to elucidate various biological phenomena. We are trying to evaluate the informational aspect of biological phenomena by experiments.
[S. Toyabe, T. Sagawa, M. Ueda, E. Muneyuki, and M. Sano, Nature Phys. (2010)]
2. Physics of bacterial swimming and tactic behavior
Bacteria swim towards favorable substances by combining the information processing about the environment and the rotation-direction control of its flagellar motor. Thus, the system possesses both the information and mechanical aspects. We are aiming to describe and elucidate the autonomous nonequilibrium property of bacterial swimming by physics.
[H. Tahara, K. Takabe, Y. Sasaki, K. Kasuga, A. Kawamoto, N. Koizumi, and S. Nakamura, Sci. Adv. (2018)]
3. Artificial molecular machines
The realization of artificial molecular machines is not only one of the ultimate goals of nanotechnology but also indispensable for revealing the science of molecular machines. We are challenging to create an artificial molecular machine by exploiting the recently-developing DNA nanotechnology.
4. Physics of information replication and origin of genetic information
The most prominent property of life is that it is the non-equilibrium structure ordered by genetic information. Therefore, the origin of genetic information is an essential step in the origin of life. We are exploring the physics of how genetic information can emerge from a random soup of information polymers in terms of spontaneous symmetry breaking.
[S. Toyabe and D. Braun, Phys. Rev. X (2019)]
生物物理工学
１．ミクロな世界の揺らぎと情報の物理
非平衡物理の実験的検証と生命現象への応用を通し，揺らぎと情報が絡むミクロなスケールの新しい物理の構築を目指しています．
生体分子モーターの１分子熱力学
細胞内では，ナノサイズの自律的に運動する分子機械が重要な役割を果たしています．このような分子機械ががなぜ動くことができるのか，その背後にある物理は何なのか，エネルギー論，揺らぎ，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します．
[S. Toyabe, T. Okamoto, T. Watanabe-Nakayama, H. Taketani, S. Kudo, and E. Muneyuki, Phys. Rev. Lett. (2010)]
情報熱力学
マックスウェルの悪魔は「情報」を利用して仕事を取り出すデバイスです．最近，「情報」が生命現象を物理の言葉で理解するための重要な概念であることが再認識されています．私たちは，生命現象における情報物理的側面を研究しています．
[S. Toyabe, T. Sagawa, M. Ueda, E. Muneyuki, and M. Sano, Nature Phys. (2010)]
２．バクテリア運動と走性の物理
大腸菌などのバクテリアは，外界の情報をセンスし，その情報を処理してべん毛回転方向を制御し，栄養などに向かって泳ぎます．私たちは，情報と機械の両側面が関わるこのミクロな自律系の性質を，物理の言葉で記述し理解することを目指しています．
[H. Tahara, K. Takabe, Y. Sasaki, K. Kasuga, A. Kawamoto, N. Koizumi, and S. Nakamura, Sci. Adv. (2018)]
３．人工分子機械の実現
人工分子機械の実現は，ナノ工学の究極の目標であると同時に，分子機械の動作原理を理解する上でも必須です．私たちは，DNAナノテクノロジー技術を駆使して，自律的に運動する人工分子機械の実現を目指しています．
４．情報複製の物理と遺伝情報の起源
生命の最も重要な特徴は，遺伝情報を持ち，構造と機能が遺伝情報によって決定されることです．したがって，遺伝情報の起源は，生命の起源の最も重要なステップです．私たちは，情報複製の物理の実験的研究を通し，ランダムな情報高分子のスープの中から，いかに遺伝情報が生まれうるのかを研究しています．
[S. Toyabe and D. Braun, Phys. Rev. X (2019)]