2016 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 / 液体の積分方程式理論 / マスター方程式 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１）A02班平岡らが開発したQASAPは自己集合過程の実験的追跡を可能にしたが、過程で現れる種々の中間体については不明な点が多い。本年度は以前から開発を進めていたマスター方程式に基づく解析を完成した。この方法では、中間種を組成式のみで表現し、これら全ての間で可能な反応を含むネットワークを考慮する。得られた結果は実験的知見とよく合致し、特に生成物に至る最終段階で少なくとも２つの経路が重要であることを見出した。この論文は平岡らとの共同研究として発表し、PCCP HOT Articlesにも選ばれた。
２）Gillespieアルゴリズムを用いて自己集合の基礎的過程の動態について調べた。また微分方程式による濃度変化の一般的な速度論との比較を行なった。また中間種の量子化学計算を行い、安定性や化学シフトについても検討した。
３） 前田グループ（立命館大）が実験的に調べているピロールpi共役系の結晶多形と電荷輸送について共同研究を行った。ab initio全電子フラグメント分子軌道法を用いて３種の結晶多形に対する電子カップリングを計算し、Marcus理論とマスター方程式を用いて分子結晶における電子・ホールのキャリア移動度を計算した。その結果、結晶多形に依存して電荷移動ネットワークの次元性が0次元的な振る舞い（電荷の局在化）から3次元的な振る舞い（等方的な電荷輸送）まで幅広く異なる挙動を示すことなど、分子結晶における電荷移動の性質を明らかにした。
４）溶液中の自己組織化分子の挙動を理解するには溶媒和自由エネルギーの計算が不可欠であり、このための効率的な理論的手法として積分方程式理論の利用が考えられる。そこで、これらの方法の精度をナノサイズの様々な系に対して系統的に調べ、系のサイズに付随する誤差項の起源について詳細に調べた。また、現状の適用限界と提案されている改善法について定量的な解析を行った。
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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
平岡グループとの共同研究（１）を学術論文として発表したのみならず、HOT articlesに選出されるなどの高い評価を得ている。同グループとの共同研究は（２）においても継続しており、複数の理論的アプローチを通じて過程の理解が深まってきている。
一方、自己組織化系の溶液中全原子シミュレーションは当初の想定以上に困難が大きい事が判明したため、現在拡張アンサンブル法を部分系に利用することで自己組織化の過程と構造予測を調べるための方法を検討中である。比較的シンプルな系でのテストでは良好な結果が得られたため、現在より実験系に近い系でのテスト計算と解析を進めている。
これに加えて、溶質、溶媒ともに全原子モデルに基づいた粗視化モデルの導出とシミュレーションの方法の検討を進めている。特に、SOPV系とMCH溶媒に関する粗視化モデルの作成と分子動力学系計算を行い、実験で見られる特徴的なヘリカル構造が再現出来るかについて解析を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
1)（１）は、反応の動態を追跡できる一方で、中間体の構造的情報は与えない。従前から取り組んできている、金属ー配位子結合を含む錯体を扱える量子化学的なモデルハミルトニアンの構築に引き続き取り組む。また、このモデルを通じて、生成物に至る最終過程の分子レベルの情報を明らかにする。
2) 通常の全原子分子動力学(MD)シミュレーションは、計算機能力の限界からアクセス可能な時間・空間スケールに限界があり、自己組織化の研究では非常に厳しい問題となる。これを緩和するため、ハミルトニアンレプリカ交換法の一つであるREST (replica exchange with solute tempering)法を用い、溶液中の自己組織化過程と構造予測に関する研究を進める。テスト系として比較的簡単な超分子ポリマーを用い、溶媒を含めた全原子モデルで計算を行う。また、平岡グループによって合成された分子カプセルについても自由エネルギー計算とMDシミュレーションを継続して行う。
3) 拡張アンサンブルの方法を逐次的に部分系に適用することで、超分子ポリマーの成長過程をより低い計算コストで調べるための方法を検討し、実用性について調べる。特にモノマーの構造や溶媒に依存して成長パターンが変化する系について、全原子モデルによる理論計算が実験をどの程度再現・予測できるかについて解析する。
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Research Products
(17 results)
