2015 Fiscal Year Research-status Report
線形応答関数に基づく反応場計算スキームの開発と酵素の高効率化への応用
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15K05390
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
山中 秀介 大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (10324865)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 反応場設計 / 結合次数の線形応答関数 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
初年度は、基本となる方法論やツールの確立を行った。具体的には、反応を誘起する場を求める際に、その反応場を定義する空間領域として、基質分子の分子表面を採用し、特定の結合を解離あるいは生成する反応場を求めるプログラムを完成させた。この分子表面の代表点とその測度を求める方法としては、通常誘電体近似(polarized continuum model)で使用されるアルゴリズムを採用し、結合次数の線形応答関数計算モジュール、逆問題を解き反応誘起場を求めるモジュールとともに汎用プログラムGAMESSに搭載した。
一方、応用計算としては、(1)酵素系とともにルイス酸塩基型の反応場としては最もシンプルかつ基本的な場として(2)安息香酸やフェノール等の酸解離反応の反応誘起場に着手した。(1)では『結合解離・生成』場だけでなく『基質トラップ』場も併用した方が妥当であるとの知見が得られた。(2)では当初、基質に１つの水分子が攻撃をしヒドロニウムイオンとして脱離するというシナリオの下、基質+水分子1個のみを量子力学(QM)的に、他の水分子は古典的(MM)溶媒として扱うQM/MM計算を行っていたが、学会発表で水分子間のプロトンリレーが起こる可能性を指摘されて、約11Åサイズの立方体に1atmで水を詰めた状況で全QM分子動力学計算を実行した。また、この過程で、トラジェクトリーから基質の平均構造を決定しその分子表面を決定するコードの開発も行っている。酸解離の反応機構解明は、メタダイナミクス、アンブレラサンプリング酸解離の分子論の詳細自体、研究として価値のあるものである為、詳細に解析している。反応場設計の研究と合わせてこの成果は2年目の本年度に発表する予定である。
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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
当初の予定と異なるのは、酸解離の反応を応用の第一歩とした事である。これは基本理論である、ルイス酸塩基型触媒場の設計という観点からは妥当な変更であると考えている。その分酵素反応場の検証は多少遅れているが、基質が揺らいだ場合の解析ツールの解析などいずれ必要となるツールの開発や、酸解離反応の分子論の詳細自体、未解明なテーマであり、副産物的な成果としての価値は高いと考えている。又、酵素反応場の設計に関しては、いくつかの酵素反応場の計算から、『結合を切る・生成する』場だけではなく、『基質をトラップする』場との重ね合わせである場合がある事が判明してきた。これに関しても、後者の効果をカバーする為の、基質のみの量子化学計算から基質トラップ場を計算するモジュールも開発済みであり、理論としてはより重厚かつ様々なケースに対してロバストなものになってきている。今後、様々な効果が効いている様々な酵素系に対し、全てに適用できるユニバーサルな反応場設計理論にするか、又は、酵素系をある程度、クラスに分け、各々のクラスに最適な反応場設計理論を複数構築するか勘案中である。酸化還元型反応に対する電子可変方式への理論の拡張については、現在進行中であり、こちらは並行して、適用対象サンプルの為、カタラーゼ活性を持つマンガン二核錯体(E. J. Larson et al. J Chem Soc Chem Commun 116, 102 (1992))の反応機構の解析も同時に行っている。
ケースにより理論の詳細を変更しなければならない可能性や、参照応用計算が重くなるのは、予想していた通りであるとも言える。
以上、計画のままではないが、当初計画になかった研究を進行しているので、全体としてはおおむね順調に進行していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
進捗状況は別項に記載している通りであり、応用対象の追加や従来の応用対象での計算においても新たな知見が得られたので、理論や方法論、ツールを拡張しつつ研究が進行している状況である。その為、副産物的な成果を出しつつ、本来の計画からの多少のズレが生じている。ただ、2年目以降は、初年度の成果をまとめ発表をしつつ、本来の計画を進めていく。具体的には、結合生成開裂場と基質トラップ場を併用し、酵素反応場を設計、具体的な酵素で、反応場にどれほどのユニバーサリティがあるのかを検証するという事と、(ルイス酸塩基型触媒場に関しても新たに拡張されたバージョンでの)酵素反応場での検証と、電子可変方式への理論の拡張や、その酸化還元反応への応用を進めていく予定である。後者の対象であるカタラーゼ活性を持つマンガン二核錯体(E. J. Larson et al. J Chem Soc Chem Commun 116, 102 (1992))も、di-μ酸素架橋部位にプロトネーションが1つ2つと起こると、構造変化(EXAFSより)と磁性変化(磁化率測定より)と相関してカタラーゼ活性が失われていくという非常に面白い系であるので、こちらも応用対象としてその反応機構の詳細を詰めて行きたい。電子可変型への理論の拡張は、結合次数線形応答関数を電子数一定ではなく化学ポテンシャル一定で評価するという方式で行っていく予定である。化学ポテンシャル一定下の密度の線形応答関数の評価はBerkowitzとParrにより行われている(JCP88(1988)2554)が、化学ポテンシャル一定下の結合次数の線形応答関数はこれまでない概念であり、理論化学としても重要な成果となる事が期待されている。これを基に酸化還元反応への拡張まで行う予定である。
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