2015 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Dynamical ordering of biomolecular systems for creation of integrated functions |
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| Project/Area Number |
25102002
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
佐藤 啓文 京都大学, 工学研究科, 教授 (70290905)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山本 武志 京都大学, 理学研究科, 助教 (30397583)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | 自己集合 / 粗視化モデル / エネルギーランドスケープ / 液体の積分方程式理論 / 量子化学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（１）A02班平岡グループで開発されたナノキューブに触発され、モノマーの持つ幾何的特徴を反映したピラミッド型の抽象化モデルを昨年度開発した。この自己集合過程を調べるために、英国ケンブリッジ大学のWales教授のグループと共同研究を行い、Basin-Hopping法を用いて広域的エネルギーランドスケープを明らかにした。
（２）平岡らは、NMRを用いた新しい解析法で様々な系の自己集合過程の実験的追跡に成功している。前年度に引き続き、この時間発展を追跡する理論モデルの開発に取り組んだ。分子の集合状態を表すn,k-解析など計算と実験結果の詳細な比較を行い、極めてよい一致を見出した。
（３）平岡らによるPd2+イオンと８つのパネル状分子からなる八面体型カプセル分子や、A02班佐藤らによるPd錯体など、自己集合によって形成される錯体は比較的大きいために、既存の量子化学的手法に基づく計算は一般に容易ではない。また金属ー配位子結合が錯体形成の鍵となっているため、通常の古典力場では計算が不可能である。そこで、量子化学的なモデルハミルトニアンの構築に取り組んだ。
（４）GPUを用いた高速な分子動力学計算を行うことで、超分子ポリマー(SOPV)の自己集合過程を詳細に調べた。特に、溶媒効果とモノマー間相互作用の拮抗によって初期の核形成が特徴的なbinding modeを持つ事、これらが従来使われていたimplicit solvent modelでは再現出来ないことなどを明らかにした。
（５） 特徴的なパイ相互作用を持つ分子結晶・集合系の電子・ホール移動について、FMO法を用いて、分子結晶内における電荷移動のメカニズムと異方性の電子的起源を明らかにした。
（６）A02班杉安グループによって調べられているポルフィリンをベースとした超分子ポリマー系について分子動力学および自由エネルギー計算による研究に着手した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
前項（１）のナノキューブについては、領域で主催した国際シンポジウムに招聘した英国ケンブリッジ大学のWales教授との討論がきっかけとなり、我々の開発した粗視化モデル分子の系のエネルギー地形を広域的に探索する研究へと発展した。研究成果はWales教授の研究グループとの共著論文として既に発表済みである。この論文は掲載誌のEditor’s choiceに選ばれたのみならず表紙を飾った。また内外の学会等でポスター賞を受賞するなど大きな注目を集めた。互いの大学院生を交換するなどの交流も生まれている。
（２）については、平岡教授との連携を通じて、自己集合過程に現れる中間体に関する理解を深めつつある。n,k-解析によって実験的に得られるのは、複数の中間体の平均的な情報である。これらの詳細な組成を計算から明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）マスター方程式に基づく自己集合過程のダイナミックスの解析を継続する。Gillespieアルゴリズムを用いる他、一般的な微分方程式解との比較や、統計的信頼性などについても検討を深める。また、これまで検討していなかった系への展開も行う。
（２）金属錯体の自己集合過程を記述するための量子化学的モデルハミルトニアンの構築と、これに基づくエネルギー面探索を進める。また金属クラスターなどを対象にしたエネルギー地形の広域的な探索にも取り組む。
（３）溶液の古典密度汎関数法や積分方程式理論をナノサイズの会合系、特に疎水性の強いものに適用する際の問題点について解析を進め、得られた知見に基いて理論の改善を行う。
（４）溶媒をあらわに用いる自己集合系の分子動力学計算では、溶質が局所的な自由エネルギー地形の井戸に落ち込んでしまい、長時間動けなくなる問題が以前から知られている。これを回避するためレプリカ交換法が提案・利用されているが、溶媒をあらわに含めた計算では必要なレプリカの数が膨大になることが知られている。そこで、溶質のサンプリングのみを
加速する方法を検討し、分子カプセル系やポリマー系での有用性の検証を行う。また得られた方法を典型的な超分子ポリマーであるBTA系や平岡グループのナノキューブ系に適用する。
（５）自己集合系の分子動力学計算を高速化・スケールアップするため、実験で一般的に用いられている有機溶媒（メチルシクロヘキサンなど）の粗視化モデルを開発する。特に、最もシンプルで汎用性のある1-bead modelについて、全原子計算の結果と比較することで有効性の検証を行う。
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Research Products
(11 results)
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[Presentation] 凝縮系の理論化学2015
Author(s)
佐藤啓文
Organizer
化学反応経路探索のニューフロンティア２０１５
Place of Presentation
品川区立総合区民会館きゅりあん
Year and Date
2015-09-15 – 2015-09-15
Invited
