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Theoretical study for exhaust carbon dioxide enzyme reaction in bioluminescence

Research Project

Project/Area Number 17KT0094
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section特設分野
Research Field Transition State Control
Research InstitutionGunma University

Principal Investigator

Hiyama Miyabi  群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (90399311)

Project Period (FY) 2017-07-18 – 2020-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2019: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2018: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2017: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Keywords生物発光 / 量子化学計算 / 水和 / 第一原理分子動力学計算 / 反応経路 / オキシルシフェリン / 発光エネルギー / ルシフェラーゼ / ゲンジボタルルシフェラーゼ / 変異体 / 古典分子動力学計算 / 時間依存密度汎関数法 / ONIOM計算 / ルシフェリンールシフェラーゼ反応 / ポテンシャルプロファイル / 振動解析 / 自由エネルギー / 酵素反応 / 生物物理 / 計算物理 / 蛋白質
Outline of Final Research Achievements

Because bioluminescence is useful tool for food inspection, gene expression, and water pollution examination, the elucidation of the mechanism of bioluminescence is important for development of such inspection methods. The essence of bioluminescence is the chemical reaction in enzyme. In this study, the influence of solvent and enzyme on emitter were investigated using both quantum chemical calculations and the first-principles Born-Oppenheimer molecular dynamics simulations.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

生物発光は基礎的な化学・生物学的分野だけでなく、工学・医学・薬学等の広い分野に関わっており、我々の生活に深く関係している。生物発光の中でも特に有用なホタル生物発光に着目した本研究成果により、今後の発光機構解明が進めば、食品検査や土壌/水質汚染検査などの応用面での研究も発展すると期待できる。

Report

(4 results)
  • 2019 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2018 Research-status Report
  • 2017 Research-status Report
  • Research Products

    (26 results)

All 2020 2019 2018 2017

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 4 results) Presentation (22 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Theoretical Study of the Wavelength Selection for the Photocleavage of Coumarin‐caged D‐luciferin2020

    • Author(s)
      Usukura Junko、Hiyama Miyabi、Kurata Maki、Hazama Yuji、Qiu Xing‐Ping、Winnik Francoise M.、Akiyama Hidefumi、Koga Nobuaki
    • Journal Title

      Photochemistry and Photobiology

      Volume: - Issue: 4 Pages: 805-814

    • DOI

      10.1111/php.13212

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Photoabsorption Spectra of Aqueous Oxyluciferin Anions Elucidated by Explicit Quantum Solvent2019

    • Author(s)
      Noguchi Yoshifumi、Hiyama Miyabi、Shiga Motoyuki、Akiyama Hidefumi、Sugino Osamu
    • Journal Title

      Journal of Chemical Theory and Computation

      Volume: 15 Issue: 10 Pages: 5474-5482

    • DOI

      10.1021/acs.jctc.9b00392

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      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] ホタル生物発光関連分子の電子状態に関する理論的研究2019

    • Author(s)
      樋山みやび
    • Journal Title

      原子衝突学会 学会誌 しょうとつ

      Volume: 16 Pages: 75-86

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      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Synthesis and quantitative characterization of coumarin-caged D-luciferin2018

    • Author(s)
      Kurata Maki、Hiyama Miyabi、Narimatsu Takuma、Hazama Yuji、Ito Takashi、Hayamizu Yuhei、Qiu Xingping、Winnik Francoise M.、Akiyama Hidehumi
    • Journal Title

      Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology

      Volume: 189 Pages: 81-86

    • DOI

      10.1016/j.jphotobiol.2018.10.002

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Theoretical study for firefly bioluminescence related molecules in aqueous solutions with first principle molecular dynamics simulations2020

    • Author(s)
      Miyabi Hiyama, Yoshifumi Noguchi, Motoyuki Shiga, Osamu Sugino, Hidefumi Akiyama, Nobuaki Koga
    • Organizer
      The 6th Quantum Science symposium; The Main Symposium of 16th International Conference of Computational Methods in Science and Engineering
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 第一原理による水溶液中のホタルオキシルシフェリン分子の安定性と光吸収スペクトル2019

    • Author(s)
      野口良史、樋山みやび、志賀基之、秋山英文、杉野修
    • Organizer
      日本物理学会2019年秋季大会
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  • [Presentation] 第一原理による水溶液中のホタルオキシルシフェリン分子の安定性と光吸収スペクトル2019

    • Author(s)
      野口良史、樋山みやび、志賀基之、秋山英文、杉野修
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      第13回分子科学討論会
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  • [Presentation] ゲンジボタルルシフェラーゼにおける発光スペクトルのQM/MM法による解析2019

    • Author(s)
      樋山みやび、野口良史、志賀基之、秋山英文、杉野修、古賀伸明
    • Organizer
      第13回分子科学討論会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] クマリンケージドルシフェリンの合成と量的特性評価2019

    • Author(s)
      薄倉 淳子,倉田 麻貴,樋山 みやび,成松 拓馬,挾間 優治,伊藤 隆,早水 裕平, Xingping Qiu,Francoise M. Winnik,古賀 伸明,秋山 英文
    • Organizer
      第13回分子科学討論会
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  • [Presentation] クマリンケージドルシフェリンの合成と吸収スペクトル2019

    • Author(s)
      﨑元柊,小野稜平,鈴木千晴,熊谷遼,菅野研一郎,Winnik Francoise,薄倉淳子,板橋英之,樋山みやび
    • Organizer
      第13回分子科学討論会
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  • [Presentation] 生物発光スペクトルにおける有害金属の影響解明2019

    • Author(s)
      手塚大輔,齋藤啓介,挟間優治,秋山英文,板橋英之,樋山みやび
    • Organizer
      第13回分子科学討論会
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  • [Presentation] ATP過少条件下におけるホタル生物発光の絶対発光量の測定2019

    • Author(s)
      小野稜平,挾間優治,秋山英文,板橋英之,樋山みやび
    • Organizer
      第13回分子科学討論会
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  • [Presentation] 水溶液中のホタルオキシルシフェリンの基底状態および励起状態の第一原理MD2019

    • Author(s)
      野口良史、樋山みやび、志賀基之、秋山英文、杉野修
    • Organizer
      第33回分子シミュレーション討論会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 水溶液中のクマリン・ケージドルシフェリンの吸収スペクトルの理論的研究2018

    • Author(s)
      薄倉淳子, 樋山みやび, 倉田麻貴, 挾間優治, Xingping Qiu, Francoise Winnik, 古賀伸明, 秋山英文
    • Organizer
      第12回分子科学討論会
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      2018 Research-status Report
  • [Presentation] ガードカラムを用いた陰イオンのイオンクロマトグラフィーと同時分離法への応用2018

    • Author(s)
      吉井咲夢、森勝伸、樋山みやび、板橋英之
    • Organizer
      日本分析化学会第67年会
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      2018 Research-status Report
  • [Presentation] 発光酵素ルシフェラーゼによるDNA合成反応の検出2018

    • Author(s)
      栗本雅之、小野稜平、手塚大輔、樋山みやび、板橋英之、大重真彦、桂進司
    • Organizer
      第41回日本分子生物学会年会
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      2018 Research-status Report
  • [Presentation] Absorption spectra of firefly oxyluciferin from first principle molecular dynamics simulations2018

    • Author(s)
      Miyabi Hiyama, Yoshifumi Noguchi, Motoyuki Shiga, Osamu Sugino, Hidefumi Akiyama, Nobuaki Koga
    • Organizer
      20th International Symposium on Bioluminescence and Chemiluminescence 2018
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      2018 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Study on the possible meteorological factors of Japan’s firefly bioluminescence occurrences2018

    • Author(s)
      Sakura Yoshii, Miyabi Hiyama, Hideyuki Itabashi
    • Organizer
      20th International Symposium on Bioluminescence and Chemiluminescence 2018
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      2018 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 実験と理論計算からのホタル生物発光機構へのアプローチ2018

    • Author(s)
      樋山みやび
    • Organizer
      化学反応経路探索のニューフロンティア2018
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      2018 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 紅色光合成細菌の反応中心における電子移動に対するポルフィリン環側鎖の電子的効果の理論的研究2018

    • Author(s)
      樋山みやび
    • Organizer
      NTChemWorkshop2019
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      2018 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] pH dependence of oxidation reaction pathway of firefly luciferin2017

    • Author(s)
      Miyabi Hiyama, Hidefumi Akiyama, Nobuaki Koga
    • Organizer
      The 55th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] クマリン・ケージドルシフェリンの電子励起状態の理論的研究2017

    • Author(s)
      薄倉淳子、樋山みやび、倉田麻貴、挾間優治、Xingping Qiu、Francoise Winnik, 古賀伸明、秋山英文
    • Organizer
      第11回分子科学討論会
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      2017 Research-status Report
  • [Presentation] ホタルオキシルシフェリン吸収スペクトルにおける水分子鎖の構造ゆらぎの影響2017

    • Author(s)
      樋山みやび、野口良史、志賀基之、杉野修、秋山英文、古賀伸明
    • Organizer
      第11回分子科学討論会
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      2017 Research-status Report
  • [Presentation] GRRM 法による水溶液中ケージドルシフェリンの構造探索2017

    • Author(s)
      薄倉淳子、樋山みやび、倉田麻貴、挾間優治、Xingping Qiu、Francoise Winnik, 古賀伸明、秋山英文
    • Organizer
      シンポジウム「化学反応経路探索のニューフロンティア」
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  • [Presentation] Instantaneous absorption spectra of firefly oxyluciferin using the first principle molecular dynamics simulations2017

    • Author(s)
      Miyabi Hiyama, Yoshifumi Noguchi, Motoyuki Shiga, Osamu Sugino, Hidefumi Akiyama, Nobuaki Koga
    • Organizer
      11th Triennial Congress of the World Association of Theoretical and Computational Chemists
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effects of water solvation on absorption spectra of firefly oxyluciferin2017

    • Author(s)
      Nobuaki Koga, Miyabi Hiyama, Yoshifumi Noguchi, Motoyuki Shiga, Osamu Sugino, Hidefumi Akiyama
    • Organizer
      The 28th International Conference on Photochemistry (ICP 2017)
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      2017 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

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Published: 2017-07-21   Modified: 2021-02-19  

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