プラズマ照射による生体膜損傷の分子動力学的モデリング

• Project Area: Plasma medical innovation
• Project/Area Number: 25108510
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tokyo Metropolitan University
• Principal Investigator: 内田 諭 首都大学東京, 理工学研究科, 准教授 (90305417)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2014: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2013: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: プラズマ / 生体膜 / 損傷 / 分子動力学 / モデリング

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、プラズマ－生体膜界面における活性種の力学的挙動および活性種による膜構成分子の解離について、古典および量子分子動力学法を併用して解析することにより、プラズマ照射による脂質二重膜の損傷機構を理論的かつ定量的に解明していくものである。
期間内において、（１）希ガス－大気混合プラズマ中における酸素活性種の放電パラメータを流体モデルにより計算する、（２）古典MDによりプラズマ－生体膜間における酸素活性種の挙動を模擬する、（３）酸素活性種によるリン脂質の解離機構を量子計算的に解明する、（４）断片化した脂質二重膜の分子モデルを構築し、膜安定性を評価する、（５）等価エッチングレートを導出するとともに、動力学解析結果をデータベース化する、といった各目標を達成するとともに、成果の有機的連携により研究全体を推進する計画であった。
本年度（平成26年度）は前年度の結果を用いて、プラズマ照射による生体膜損傷をモデル化するとともに膜安定性を評価することを目的として、【課題1】脂質二重膜における平衡状態の高速計算、【課題2】膜安定性の評価とデータベース化、【課題3】脂質二重膜中の活性種輸送の評価、を行った。
【課題1】に関しては、蛋白質構造データバンクに基づき、脂質二重膜モデルを数値的に構築するとともに、分子動力学計算による挙動解析から膜の平衡状態を確認した。【課題2】に関しては、気中及び水中における酸素原子とリン脂質膜との反応工程の相違を模擬し、データベース化した。【課題3】に関しては、膜近傍における各種放電活性種の浸透度や拡散係数を導出し、ラジカル輸送特性の変化を定量的に検証した。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Numerical Investigation of the Correlation between Electrode Structure and Number of Captured Particles in a Dielectrophoretic Device (2014)
  • Author(s): 青木 玲仁，白井 直機，内田 諭，杤久保 文嘉
  • Journal Title: IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines Volume: 134 Issue: 7 Pages: 235-240
  • DOI: 10.1541/ieejsmas.134.235
  • NAID: 130004849032
  • ISSN: 1341-8939, 1347-5525
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Influence of oxygen gas on characteristics of self-organized luminous pattern formation observed in atmospheric DC glow discharge using liquid electrode (2014)
  • Author(s): Naoki Shirai, Satoshi Uchida and Fumiyoshi Tochikubo
  • Journal Title: Plasma Sources Science and Technology Volume: 23 Issue: 5 Pages: 054010-054010
  • DOI: 10.1088/0963-0252/23/5/054010
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 3．食品産業における誘電泳動技術の利用 ∼泳動濃縮及び膜変性計測∼ (2014)
  • Author(s): 内田 諭
  • Journal Title: Electrochemistry Volume: 82 Issue: 11 Pages: 1007-1011
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.82.1007
  • NAID: 130004707686
  • ISSN: 1344-3542, 2186-2451
• [Journal Article] Liquid-phase reactions induced by atmospheric pressure glow discharge with liquid electrode (2014)
  • Author(s): Fumiyoshi Tochikubo, Yudai Shimokawa, Naoki Shirai and Satoshi Uchida
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 53 Issue: 12 Pages: 126201-126201
  • DOI: 10.7567/jjap.53.126201
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Liquid-phase reactions induced by atmospheric pressure glow discharge with liquid electrode (2014)
  • Author(s): Fumiyoshi Tochikubo, Naoki Shirai and Satoshi Uchida
  • Journal Title: Liquid-phase reactions induced by atmospheric pressure glow discharge with liquid electrode Volume: 565 Pages: 012010-012010
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Analysis of effect of ion irradiation to liquid surface on water molecule kinetics by classical molecular dynamics simulation (2014)
  • Author(s): Y.Minagawa, N.Shirai, S.Uchida, F.TochikuboY.Minagawa, N.Shirai, S.Uchida, F.Tochikubo
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys Volume: Vol.53 Issue: 1 Pages: 10210-10210
  • DOI: 10.7567/jjap.53.010210
  • NAID: 210000143222
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Atmospheric negative corona discharge using Taylor cone as a liquid cathode (2014)
  • Author(s): N. Shirai, R. Sekine, S. Uchida, F. Tochikubo
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 53 Issue: 2 Pages: 1-6
  • DOI: 10.7567/jjap.53.026001
  • NAID: 210000143330
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 誘電泳動速度計測による加温処理酵母の膜変性評価 (2014)
  • Author(s): 高澤 晋，白井直機，内田 諭，杤久保文嘉
  • Journal Title: 静電気学会誌 Volume: 37 Pages: 2-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis of metal nanoparticles by dual plasma electrolysis using atmospheric dc glow discharge in contact with liquid (2014)
  • Author(s): N.Shirai, S.Uchida, F.Tochikubo
  • Journal Title: JPn. J. ApPl. Phys Volume: Vol.53 Issue: 4 Pages: 46202-46202
  • DOI: 10.7567/jjap.53.046202
  • NAID: 210000143533
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 誘電泳動デバイスにおける電極構造と捕捉粒子数の数値相関 (2014)
  • Author(s): 青木玲仁，白井直機，内田 諭，杤久保文嘉
  • Journal Title: 電気学会論文誌E Volume: 134
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 泳動濃縮および画像解析を併用した飲料混入菌の定量計測 (2013)
  • Author(s): 髙瀬亜希，圓城寺隆治，内田 諭
  • Journal Title: 日本食品工学会誌 Volume: 14 Pages: 97-106
  • NAID: 130005078819
  • Peer Reviewed
• [Presentation] マイクロギャップリアクタを用いたパルス電界による酵母の生育活性評価 (2015)
  • Author(s): 香野 健太郎，白井 直機，内田 諭，杤久保 文嘉，和田 圭二
  • Organizer: 平成27年電気学会全国大会
  • Place of Presentation: 東京、日本
  • Year and Date: 2015-03-24 – 2015-03-26
• [Presentation] 誘電泳動によるT4ファージの効率的捕集に関する定量評価 (2015)
  • Author(s): 久保田 浩史，白井 直機，内田 諭，杤久保 文嘉，片山 浩之
  • Organizer: 平成27年電気学会全国大会
  • Place of Presentation: 東京、日本
  • Year and Date: 2015-03-24 – 2015-03-26
• [Presentation] 誘電泳動速度計測による熱処理酵母の膜損傷診断 (2015)
  • Author(s): 石田 高広，白井 直機，内田 諭，杤久保 文嘉
  • Organizer: 平成27年電気学会全国大会
  • Place of Presentation: 東京、日本
  • Year and Date: 2015-03-24 – 2015-03-26
• [Presentation] MOLECULAR DYNAMICS SIMULATION OF TRANSPORTATION OF PLASMA RADICALS IN BIOMEMBRANE (2015)
  • Author(s): Satoshi Uchida and Fumiyoshi Tochikubo
  • Organizer: 2nd International Workshop on Plasma for Cancer Treatment
  • Place of Presentation: 名古屋、日本
  • Year and Date: 2015-03-16 – 2015-03-17
• [Presentation] 三次元構造誘電泳動デバイスを用いた金属ナノ材料の立体形成 (2015)
  • Author(s): 片岡 良介，時田 寛也，内田 諭，佐野 遼， 西川 宏之
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季講演会
  • Place of Presentation: 神奈川、日本
  • Year and Date: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [Presentation] 大気圧下におけるプラズマ－液体相互作用の数値モデリングとシミュレーション解析 (2014)
  • Author(s): 内田 諭
  • Organizer: Plasma Conference 2014
  • Place of Presentation: 新潟、日本
  • Year and Date: 2014-11-18 – 2014-11-21
• [Presentation] 誘電泳動デバイスにおける捕捉粒子数の構造・制御因依存性値検証 (2014)
  • Author(s): 青木 玲仁，白井 直機，内田 諭，杤久保 文嘉
  • Organizer: 電気学会センサ・マイクロマシン部門大会第31回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
  • Place of Presentation: 松江、日本
  • Year and Date: 2014-10-20 – 2014-10-22
• [Presentation] ナノ粒子の誘電泳動捕集における構造因子の影響 (2014)
  • Author(s): 片岡 良介，内田 諭，白井 直機，杤久保 文嘉
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 札幌、日本
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] 誘電泳動による金属ナノ材料の立体配置の基礎検討 (2014)
  • Author(s): 時田 寛也，内田 諭，佐野 遼，西川 宏之
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 札幌、日本
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] プラズマ－生体界面の分子動力学モデリング (2014)
  • Author(s): 内田 諭，杤久保 文嘉
  • Organizer: 新学術領域研究合同シンポジウム「新学術の最前線～プラズマと生物と医療の協奏曲～」
  • Place of Presentation: 名古屋、日本
  • Year and Date: 2014-08-09
• [Presentation] 誘電泳動によるT4ファージの効率的捕集に関する検証 (2014)
  • Author(s): 内田 諭，久保田浩史，二戸愛仁，圓城寺隆治
  • Organizer: 日本食品工学会第15回年次大会
  • Place of Presentation: つくば、日本
  • Year and Date: 2014-08-07 – 2014-08-09
• [Presentation] プラズマ活性種とリン脂質の反応相互作用における温度効果の数値検証 (2014)
  • Author(s): 内田 諭，鈴木 陽文，白井 直機，杤久保 文嘉
  • Organizer: ロボティクス・メカトロニクス講演会2014(ROBOMECH2014)
  • Place of Presentation: 富山、日本
  • Year and Date: 2014-05-25 – 2014-05-29
• [Presentation] Reactive Molecular Dynamics between Oxygen Radial and Phosphatidylcholine by Plasma Irradiation (2014)
  • Author(s): Satoshi Uchida, Akifumi Suzuki, Naoki Shirai, Fumiyoshi Tochikubo
  • Organizer: 5th International Conference on Plasma Medicine
  • Place of Presentation: 奈良、日本
  • Year and Date: 2014-05-18 – 2014-05-23
• [Presentation] Chemical reaction in liquid induced by atmospheric DC glow discharge with liquid electrode (2014)
  • Author(s): Y. Shimokawa, N. Shirai, T. Aoki, S. Uchida, F. Tochikubo
  • Organizer: 8th International Conference on Reactive Plasmas/31st Symposium on Plasma Processing
  • Place of Presentation: Fukuoｋa, Japan
• [Presentation] Control of plasma-liquid interaction of atmospheric DC glow discharge in contact with liquid (2014)
  • Author(s): N. Shirai, Y. Shimokawa, T. Aoki, S. Uchida, F. Tochikubo
  • Organizer: 8th International Conference on Reactive Plasmas/31st Symposium on Plasma Processing
  • Place of Presentation: Fukuoｋa, Japan
• [Presentation] プラズマ照射における酸素ラジカル種とリン脂質の反応相互作用の分子動力学解析 (2014)
  • Author(s): 鈴木 陽文, 内田 諭, 白井直機, 杤久保文嘉
  • Organizer: 第61回応用物理学会春季講演会
  • Place of Presentation: 相模原, 日本
• [Presentation] 直流グロー放電の自己組織化現象の二次元シミュレーション (2014)
  • Author(s): 平原洋行, 白井直機, 内田 諭, 杤久保文嘉
  • Organizer: 平成26年電気学会全国大会
  • Place of Presentation: 松山, 日本
• [Presentation] プラズマ支援電解反応における液中プロセスの検討 (2013)
  • Author(s): 下川雄大, 白井直機, 内田 諭, 杤久保文嘉
  • Organizer: 電気学会プラズマパルスパワー放電合同研究会
  • Place of Presentation: 長岡, 日本
• [Presentation] Plasma-liquid interfacial phenomena of atmospheric DC glow discharge using liquid electrode (2013)
  • Author(s): N. Shirai, S. Uchida, F. Tochikubo
  • Organizer: The 7th International Workshop on Microplasmas
  • Place of Presentation: Beijing, China
• [Presentation] Atmospheric pressure glow discharge with liquid electrode (2013)
  • Author(s): F. Tochikubo, N. Shirai, S. Uchida
  • Organizer: JAWS25 Japan-Australia Commemorative Workshop
  • Place of Presentation: Canberra, Australia
• [Presentation] Plasma-induced liquid phase reaction in atmospheric pressure glow discharge electrolysis (2013)
  • Author(s): F. Tochikubo, N. Shirai, S. Uchida
  • Organizer: 21st International Symposium on Plasma Chemistry
  • Place of Presentation: Cairns, Australia
• [Presentation] 液体電極を用いた大気圧グロー放電の特性の周辺ガスによる影響 (2013)
  • Author(s): 白井直機, 下川雄大, 青木拓也, 内田 諭, 杤久保文嘉
  • Organizer: 電気学会プラズマ研究会
  • Place of Presentation: 長崎, 日本
• [Presentation] 液体電極放電における液中の化学的作用の検討 (2013)
  • Author(s): 下川雄大, 白井直機, 内田 諭, 杤久保文嘉
  • Organizer: 平成25年電気学会基礎材料共通部門大会
  • Place of Presentation: 横浜, 日本
• [Presentation] 直流グロー放電を電極とした電解反応のシミュレーション (2013)
  • Author(s): 杤久保文嘉, 白井直機, 内田 諭, 白藤 立
  • Organizer: 平成25年電気学会基礎材料共通部門大会
  • Place of Presentation: 横浜, 日本
• [Presentation] プラズマからのイオン照射による水のスパッタリング過程とパラメータ依存性 (2013)
  • Author(s): 皆川優大, 白井直機, 内田 諭, 杤久保文嘉
  • Organizer: 第７4回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 京田辺, 日本
• [Presentation] 液面へ電子または正イオンが照射された際に液中へ誘起される反応のシミュレーション (2013)
  • Author(s): 杤久保文嘉, 白井直機, 内田 諭, 白藤 立
  • Organizer: 第７4回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 京田辺, 日本
• [Presentation] Influence of gas and liquid condition on characteristics of self-organized pattern formation observed in atmospheric DC glow discharge (2013)
  • Author(s): N. Shirai, H. Hirahara, S. Uchida, F. Tochikubo
  • Organizer: 66th Annual Gaseous Electronics Conference
  • Place of Presentation: Princeton, USA
• [Presentation] Molecular dynamics simulation analysis of ion irradiation effects on plasma-liquid interface (2013)
  • Author(s): Y. Minagawa, N. Shirai, S. Uchida, F. Tochikubo
  • Organizer: 66th Annual Gaseous Electronics Conference
  • Place of Presentation: Princeton, USA