Restricted diffusion of lipid molecules on the vesicle surface studied by NMR measurement and Monte Carlo calculation

• Project/Area Number: 23550027
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Physical chemistry
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: YOSHII Noriyuki 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 特任准教授 (70371599)
• Co-Investigator(Renkei-kenkyūsha): OKAMURA Emiko 姫路獨協大学, 薬学部, 教授 (00160705)
• Project Period (FY): 2011 – 2013
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2013: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2012: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2011: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
• Keywords: 溶液 / コロイド / 脂質ベシクル / 分子シミュレーション / ベシクル / 物理化学 / 側方拡散 / NMR / 拡散係数 / コンピュータシミュレーション / 制限拡散 / モデル化 / 生物物理

Research Abstract

The restricted diffusional motion of the lipid molecule on the vesicle surface was studied by NMR measurement and Monte Carlo calculation. The diffusion coefficient of the lipid molecule was observed by pulse field gradient(PFG) NMR measurement. The observed diffusion coefficient for the lipid molecule is sum of the translational and rotational diffusion coefficients of the vesicle as a whole and the lateral diffusion coefficient of the lipid molecule. We constructed a new analytical method to separate them into their contributions. In order to investigate the binding/dissociation motion of the drug molecules with the vesicle as well as the lateral diffusion motion on the vesicle surface in situ experiments using PFG and 1D NMR have been carried out. To reproduce the motion of the drug molecule moving in the vesicle and bulk water a new Monte Carlo calculation was extended to the drug molecule.

Research Products

• [Journal Article] MODYLAS : A highly parallelized general-purpose molecular dynamics simulation program for large-scale systems with long-range forces calculated by fast multipole method (FMM) and highly scalable fine-grained new parallel processing algorithms (2013)
  • Author(s): Y. Andoh, N. Yoshii, et al
  • Journal Title: J. Chem. Theory Comput Volume: 9 Pages: 3201-3209
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Lateral diffusion of lipids separated from rotational and translational diffusion of a fluid Large unilamellar vesicle (2013)
  • Author(s): N. Yoshii, T. Emoto, E. Okamura
  • Journal Title: Colloid Surf. B-Biointerface Volume: 106 Pages: 22-27
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Lateral diffusion of lipids separated from rotational and translational diffusion of a fluid large unilamellar vesicle (2013)
  • Author(s): Noriyuki Yoshii, Tomomi Emoto, Emiko Okamura
  • Journal Title: Colloids and Surfaces B: Biointerfaces Volume: 106 Pages: 22-27
  • DOI: 10.1016/j.colsurfb.2013.01.017
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] MODYLAS: A highly parallelized general-purpose molecular dynamics simulation program for large-scale systems with long-range forces calculated by fast multipole method (FMM) and highly scalable fine-grained new parallel processing algorithms (2013)
  • Author(s): Y. Andoh, N. Yoshii, et al
  • Journal Title: Journal of Chemical Theory and Computation Volume: 9 Issue: 7 Pages: 3201-3209
  • DOI: 10.1021/ct400203a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enthalpy and entropy of transfer of alkanes from water phase to the micelle core (2012)
  • Author(s): K. Fujimoto, N. Yoshii, S. Okazaki
  • Journal Title: Molecular Simulation Volume: 38 Pages: 342-345
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Free energy profiles for penetration of methane and water molecules into spherical sodium dodecyl sulfate micelles obtained using the thermodynamic integration method combined with molecular dynamics calculations (2012)
  • Author(s): K. Fujimoto, N. Yoshii, S. Okazaki
  • Journal Title: J. Chem. Phys Volume: 136
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular dynamics study of free energy of transfer of alcohol and amine from water phase to the micelle by thermodynamic integration method (2012)
  • Author(s): K. Fujimoto, N. Yoshii, S. Okazaki
  • Journal Title: J. Chem. Phys Volume: 137
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular dynamics study of free energy of transfer of alcohol and amine from water phase to the micelle by thermodynamic integration method (2012)
  • Author(s): K. Fujimoto, N. Yoshii, and S. Okazaki
  • Journal Title: J. Chem. Phys. Volume: 137 Issue: 9 Pages: 94902-94902
  • DOI: 10.1063/1.4747491
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Free energy profiles for penetration of methane and water molecules into spherical sodium dodecyl sulfate micelles obtained using the thermodynamic integration method combined with molecular dynamics calculations (2012)
  • Author(s): K. Fujimoto, N. Yoshii, and S. Okazaki
  • Journal Title: J. Chem. Phys. Volume: 136 Issue: 1 Pages: 14511-14511
  • DOI: 10.1063/1.3671997
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Free energy profiles for penetration of methane and water molecules into spherical sodium dodecyl sulfate micelles obtained using the thermodynamic integration method combined with molecular dynamics calculations (2012)
  • Author(s): K. Fujimoto, N. Yoshii, and S. Okazaki
  • Journal Title: Journal of Chemical Physics Volume: 136
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Kinetics of binding and diffusivity of leucine-enkephaline in large unilamellar vesicle by pulsed-field-gradient 1H NMR in situ (2011)
  • Author(s): N. Yoshii, T. Emoto, E. Okamura
  • Journal Title: Biophysics Volume: 7 Pages: 105-111
  • NAID: 130001253120
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Binding of hydrophobic fluorinated bisphenol A to large unilamellar vesicles of egg phosphatidylcholine (2011)
  • Author(s): N. Yoshii, E. Okamura
  • Journal Title: J. Phys. Chem Volume: B115 Pages: 11074-11080
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Binding of hydrophobic fluorinated bisphenol A to large unilamellar vesicles of egg phosphatidylcholine (2011)
  • Author(s): N. Yoshii, and E. Okamura
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry Volume: B115 Pages: 11074-11800
  • Peer Reviewed
• [Presentation] SDS の会合体間相互作用および会合機構に関する分子動力学計算による研究 (2014)
  • Author(s): 河田真治, 藤本和士, 吉井範行, 岡崎進
  • Organizer: 第17回理論化学討論会
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2014-05-22
• [Presentation] 分子動力学シミュレーションを用いたSDS ミセルの会合過程における会合体-会合体間自由エネルギープロフィール計算 (2013)
  • Author(s): 河田真治, 藤本和士, 吉井範行, 岡崎進
  • Organizer: 第36回溶液化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 北海道
  • Year and Date: 2013-10-11
• [Presentation] 次世代スパコンを用いた大規模分子動力学計算による蛋白質科学 (2013)
  • Author(s): 吉井範行
  • Organizer: 第13回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 鳥取
  • Year and Date: 2013-06-12
  • Invited
• [Presentation] 分子動力学計算に基づいたイオン性および非イオン性球状ミセル表面の構造とダイナミクスに関する球面調和関数解析 (2013)
  • Author(s): 二村祐樹, 王琳, 吉井範行, 藤本和士, 岡崎進
  • Organizer: 第16回理論化学討論会
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 2013-05-15
• [Presentation] 超巨大計算機時代の化学-分子科学のサイエンスロードマップ事例(分子動力学計算) (2013)
  • Author(s): 吉井範行
  • Organizer: 日本化学会第93春季年会
  • Place of Presentation: 滋賀
  • Year and Date: 2013-03-25
  • Invited
• [Presentation] Large scale molecular dynamics calculations of assembly of amphiphilic molecules (2013)
  • Author(s): N. Yoshii
  • Organizer: 日本化学会第93春季年会
  • Place of Presentation: 滋賀
  • Year and Date: 2013-03-24
  • Invited
• [Presentation] Free energy of solubilization of solute molecules in SDS micelle solution studied by molecular dynamics calculations (2013)
  • Author(s): Kazushi Fujimoto, Noriyuki Yoshii, Susumu Okazaki
  • Organizer: 33rd International Conference on Solution Chemistry
  • Place of Presentation: 京都
• [Presentation] Motions and fluctuations of phospholipid molecules in large and cell sized vesicles by NMR (2013)
  • Author(s): E. Okamura, Y. Takechi, H. Saito, N. Yoshii
  • Organizer: 33rd International Conference on Solution Chemistry
  • Place of Presentation: 京都
• [Presentation] Spherical harmonics analysis of the surface structure of spherical ionic and nonionic micelles and its relevant dynamics-A molecular dynamics study (2013)
  • Author(s): Y. Nimura, L. Wang, K. Fujimoto, N. Yoshii, S. Okazaki
  • Organizer: 33rd International Conference on Solution Chemistry
  • Place of Presentation: 京都
• [Presentation] Large-scale and All-atom Molecular Dynamics Simulation of Viruses using the K-computer 2. Development of a Highly Parallelized General-Purpose Molecular Dynamics Simulation Program, MODYLAS (2013)
  • Author(s): Yoshimichi Andoh, Noriyuki Yoshii, Kazushi Fujimoto, Keisuke Mizutani, Hidekazu Kojima, Atsushi Yamada, Susumu Okazaki, Kazutomo Kawaguchi, Hidemi Nagao, Kensuke Iwahashi, Fumiyasu Mizutani, Kazuo Minami
  • Organizer: ICMS2013
  • Place of Presentation: 神戸
• [Presentation] Large-scale and all-atom molecular dynamics simulation of viruses using the K-computer. 3. Equilibration of the system and the stable structure of poliovirus capsid in solution (2013)
  • Author(s): Hidekazu Kojima, Noriyuki Yoshii, Atsushi Yamada, Yoshimichi Andoh, Kazushi Fujimoto, Keisuke Mizutani, Atsushi Nakagawa, Akio Nomoto, Susumu Okazaki
  • Organizer: ICMS2013
  • Place of Presentation: 神戸
• [Presentation] Large-scale and all-atom molecular dynamics simulation of viruses using the K-computer: 4. Negative pressure inside the poliovirus empty capsid (2013)
  • Author(s): Kazushi Fujimoto, Yoshimichi Andoh, Noriyuki Yoshii, Atsushi Yamada, Hidekazu Kojima, Keisuke Mizutani, Atsushi Nakagawa, Akio Nomoto, Susumu Okazaki
  • Organizer: ICMS2013
  • Place of Presentation: 神戸
• [Presentation] Large-Scale and All-Atom Molecular Dynamics Simulation of Viruses using the K-computer: 5. Molecular Designs for a Stable Viral Capsid (2013)
  • Author(s): Noriyuki Yoshii, Yoshimichi Andoh, Atsushi Yamada, Kazushi Fujimoto, Hidekazu Kojima, Keisuke Mizutani, Atsushi Nakagawa, Akio Nomoto, Susumu Okazaki
  • Organizer: ICMS2013
  • Place of Presentation: 神戸
• [Presentation] Large-scale and all-atom molecular dynamics simulation of viruses using the K-computer : 6. Exchange of water molecules across the poliovirus capsid (2013)
  • Author(s): Atsushi Yamada, Noriyuki Yoshii, Yoshimichi Andoh, Kazushi Fujimoto, Hidekazu Kojima, Keisuke Mizutani, Atsushi Nakagawa, Akio Nomoto, Susumu Okazaki
  • Organizer: ICMS2013
  • Place of Presentation: 神戸
• [Presentation] Large-Scale and All-Atom Molecular Dynamics Simulation of Viruses Using the K-computer: 7. Interaction with Poliovirus Receptor CD155 (2013)
  • Author(s): Keisuke Mizutani, Noriyuki Yoshii, Atsushi Yamada, Yoshimichi Andoh, Kazushi Fujimoto, Hidekazu Kojima, Atsushi Nakagawa, Akio Nomoto, Susumu Okazaki
  • Organizer: ICMS2013
  • Place of Presentation: 神戸
• [Presentation] A Molecular Dynamics Study of Free Energy Profile of a Pair of Aggregates in the Formation Process of SDS Micelle Shinji Kawada (2013)
  • Author(s): Kazushi Fujimoto, Noriyuki Yoshii, Susumu Okazaki
  • Organizer: ICMS2013
  • Place of Presentation: 神戸
• [Presentation] 球状ミセル表面で界面活性剤分子の親水基がなす構造と動力学に関する分子動力学による研究 (2012)
  • Author(s): 瀬高悠太, 吉井範行, 二村祐樹, 藤本和士, 岡崎進
  • Organizer: 第26回分子シミュレーション討論会
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 2012-11-26
• [Presentation] Poly(N-isopropylacrylamide)オリゴマーの立体規則性と水溶液中での熱力学的安定性に関する理論的研究 (2012)
  • Author(s): 吉井範行, 宮田竜彦, 勝本之昌
  • Organizer: 第35回溶液化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2012-11-13
• [Presentation] 分子動力学計算による球状ミセルの構造とダイナミクスについての球面調和関数解析 (2012)
  • Author(s): 瀬高悠太, 吉井範行, 藤本和士, 岡崎進
  • Organizer: 第15回理論化学討論会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2012-05-25
• [Presentation] 分子動力学シミュレーションによる生体膜中の薬物の結合構造 (2012)
  • Author(s): 吉井範行, 岡村恵美子
  • Organizer: 日本膜学会第34年会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2012-05-08
• [Presentation] 高速分子動力学ソフト modylas を用いた極性分子の SDS ミセルへの移行に伴う自由エネルギー計算 (2012)
  • Author(s): 藤本和士, 吉井範行, 岡崎進
  • Organizer: 次世代ナノ統合シミュレーションソフトウェアの研究開発(ナノ) 次世代ナノ統合シミュレーションソフトウェアの研究開発(ライフ)公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 2012-03-06
• [Presentation] 状ミセル表面で界面活性剤分子の親水基がなす構造と動力学に関する分子動力学計算による研究 (2012)
  • Author(s): 瀬高悠太、吉井範行、二村佑樹、藤本和士、岡崎進
  • Organizer: 第26回分子シミュレーション討論会
  • Place of Presentation: 福岡
• [Presentation] 高速分子動力学ソフトmodylasを用いた極性分子のSDSミセルへの移行に伴う自由エネルギー計算 (2012)
  • Author(s): 藤本和士, 吉井範行, 岡崎 進
  • Organizer: 次世代ナノ統合シミュレーションソフトウェアの研究開発（ナノ）次世代生命体統合シミュレーションソフトウェアの研究開発（ライフ）公開シンポジウム
  • Place of Presentation: ニチイ学館 神戸ポートアイランドセンター(兵庫県)
• [Presentation] 分子動力学法によるメタン・水分子の水相から SDS ミセル相中への移行の自由エネルギープロフィール (2011)
  • Author(s): 藤本和士, 吉井範行, 岡崎進
  • Organizer: 第25回分子シミュレーション討論会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2011-12-05
• [Presentation] 分子動力学法による溶質の水相から SDSミセル相中への移行に伴う自由エネルギープロフィール (2011)
  • Author(s): 藤本和士, 吉井範行, 岡崎進
  • Organizer: 第34回溶液化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2011-11-15
• [Presentation] 分子動力学法を用いたメタンの SDS ミセルへの可溶化自由エネルギープロフィール計算 (2011)
  • Author(s): 藤本和士, 吉井範行, 岡崎進
  • Organizer: 第5回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 北海道
  • Year and Date: 2011-09-22
• [Presentation] 分子シミュレーションにおける静電相互作用の高速・並列化手法 (2011)
  • Author(s): 吉井範行
  • Organizer: 第2回 CMSI 若手技術交流会
  • Place of Presentation: 千葉
  • Year and Date: 2011-09-14
  • Invited
• [Presentation] 脂質膜のダイナミクスと薬物分配に関する NMR 解析 (2011)
  • Author(s): 吉井範行, 岡村恵美子
  • Organizer: 日本薬剤学会第26年会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2011-05-29
  • Invited
• [Presentation] 球状ベシクル上の脂質分子の側方拡散係数についての NMR 解析 (2011)
  • Author(s): 吉井範行, 岡村恵美子
  • Organizer: 日本膜学会第33年会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2011-05-13
• [Presentation] 脂質膜のダイナミクスと薬物分配に関するNMR解析 (2011)
  • Author(s): 吉井範行、岡村恵美子
  • Organizer: 日本薬剤学会第26年会(招待講演)
  • Place of Presentation: タワーホール船堀（東京都）
• [Presentation] 球状ベシクル上の脂質分子の側方拡散係数についてのＮＭＲ解析 (2011)
  • Author(s): 吉井範行、岡村恵美子
  • Organizer: 日本膜学会第33年会
  • Place of Presentation: 産業技術総合研究所臨海副都心センター（東京都）
• [Presentation] 分子動力学法を用いたメタンのSDSミセルへの可溶化自由エネルギープロフィール計算 (2011)
  • Author(s): 藤本和士, 吉井範行, 岡崎 進
  • Organizer: 第5回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道）
• [Presentation] 分子動力学法による溶質の水相からSDSミセル核中への移行に伴う自由エネルギープロフィール (2011)
  • Author(s): 藤本和士, 吉井範行, 岡崎 進
  • Organizer: 第34回溶液化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 名古屋大学ES総合館（愛知県）
• [Presentation] 分子動力学法による，メタン・水分子の水相から SDS ミセル核中への移行の自由エネルギープロフィール (2011)
  • Author(s): 藤本和士, 吉井範行, 岡崎 進
  • Organizer: 第25回分子シミュレーション討論会
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス（東京都）
• [Presentation] 8. 超並列スパコンを用いた分子動力学計算による巨大系シミュレーションへの挑戦
  • Author(s): 吉井範行
  • Organizer: 金沢大学理学談話会
  • Place of Presentation: 石川
  • Invited
• [Presentation] 9. 分子動力学計算に基づく両親媒性分子集合体の安定性評価―ミセル，脂質膜，ウイルス
  • Author(s): 吉井範行
  • Organizer: 金沢大学第6回凝縮系理論セミナー
  • Place of Presentation: 石川
  • Invited
• [Presentation] SDSの会合体間相互作用および会合機構に関する分子動力学計算による研究
  • Author(s): 河田 真治、藤本 和士、吉井 範行、岡崎 進
  • Organizer: 第17回理論化学討論会
  • Place of Presentation: 愛知
• [Presentation] Large scale molecular dynamics calculations of assembly of amphiphilic molecules
  • Author(s): Noriyuki Yoshii
  • Organizer: 日本化学会第93春季年会
  • Place of Presentation: 滋賀
  • Invited
• [Presentation] 子動力学計算 による 球状 ミセルの 構造 とダイナミクスについての 球面調和関数解析
  • Author(s): 瀬高悠太、吉井範行、藤本和士、岡崎進
  • Organizer: 第15回理論化学討論会
  • Place of Presentation: 仙台
• [Presentation] 分子動力学シミュレーションによる生体膜中の薬物の結合構造
  • Author(s): 吉井範行，岡村恵美子
  • Organizer: 日本膜学会第34年会
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] Poly(N-isopropylacrylamide)オリゴマーモデルの立体規則性と水溶液中での熱力学的安定性に関する理論的研究
  • Author(s): 吉井範行，宮田竜彦，勝本之晶
  • Organizer: 第35回溶液化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京
• [Book] 製剤への物理化学 (2012)
  • Author(s): 吉井範行, 他(斉藤博幸, 田中秀治編)
  • Publisher: 廣川書店
• [Book] 製剤への物理化学 (2012)
  • Author(s): 斉藤博幸, 田中秀治編, 吉井範行他著
  • Total Pages: 302
  • Publisher: 廣川書店
• [Book] コンピュータシミュレーションの基礎(第二版) (2011)
  • Author(s): 岡崎進, 吉井範行
  • Publisher: 化学同人
• [Book] コンピュータシミュレーションの基礎（第二版） (2011)
  • Author(s): 岡崎進、吉井範行
  • Total Pages: 303
  • Publisher: 化学同人
• [Remarks]
  • URL: http://profs.provost.nagoya-u.ac.jp/view/html/100005863_ja.html