2018 Fiscal Year Research-status Report
Structural analysis for molecular assembly in aqueous solution by experimental and theoretical methods
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17K14496
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| Research Institution | Ariake National College of Technology |
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Principal Investigator |
大河平 紀司 有明工業高等専門学校, 創造工学科, 教授 (60629210)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 分子動力学法 / ミセル / 分子集合体 / 計算化学 / 小角X線散乱 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は、超分子をはじめとする分子集合体が溶液中で形成する構造を、実験的手法である小角Ｘ線散乱（SAXS）等と、理論的な手法である計算化学的手法（分子動力学法、分子軌道法）等を融合することにより予測する方法の確立を目指している。特に、比較的ソフトな構造であると言われているミセルやリポソームは、主に球状の高次構造をとっており、定まった構造はとっていないと言われていた。しかし、我々の研究成果において、嵩高い置換基を有する界面活性剤がミセル構造をとる場合、それらの会合数が低い条件においては、プラトンの正多面体数と同じ会合数でのみ安定なミセル構造を示すことが示唆された。これらのミセルは「プラトニックミセル」と名付けられ、今まさに構造解析が進められているところである。
平成30年度は、まず前年度に確立した手法を用いてカリックス[4]アレーンの静的構造（初期構造）を作成し、そのモデルを三次元的に複数個配置することでプラトニックミセルモデルを作成し、分子動力学シミュレーション（MD）によりこのミセルのダイナミクスの解析を試みた。MDシミュレーションでは、ある一定の計算ごとに構造の三次元座標を抜き出すことが可能である。そこで、得られる三次元座標から理論的なSAXSプロファイルを作成し、実験的手法にて測定した実際のSAXSプロファイルとの差を、類似度の1つであるJaccard係数を指標として比較を行った。その結果、プラトニックミセルは熱により揺らいでいるものの、ある周期で再度安定なプラトニックミセルの構造に戻ることが示唆された。つまり、一度プラトニックミセルを形成することができれば、その後は安定に存在すると言える。
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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
本研究課題では、分子集合体をはじめとする機能性分子の水溶液中における構造およびダイナミクスを、小角X線散乱（SAXS）等の実験的手法および計算化学的手法の融合によって解析する手法の確立を目指しており、平成30年度は、実験的手法であるSAXSと理論的手法である分子動力学（MD）シミュレーションによりミセルの動的挙動を解析することができた。当初の実験計画では、MDシミュレーションによる解析は平成31年度に行う予定であったが、前年度の静的分子モデルの作成手法の確立が順調に進行したため、若干前倒しにて進展している。
平成30年度には、末端にカチオン性のアミノ基を有するカリックス[4]アレーンについて検討を行った。この分子は、様々な実験的手法により解析結果より、低pH条件では会合数が6でミセルを形成し、プラトニック性を示すが示唆されている。この現象を計算化学的手法を用いて検証した例は無く、学術的にも重要な意味を成すものと思われる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、本研究にて確立した手法がカリックス[4]アレーン以外の分子についても適用できるかを検討する予定である。対象としては、自然界で多くの菌が生産しているバイオサーファクタントを考えている。また、より単純な界面活性剤についても検討を行いたい。一方で、MDシミュレーションの結果から理論的なSAXSプロファイルを求めるには、MD経過ごとに得られる三次元座標の抽出やCRYSOLによる処理等で膨大な時間がかかるのが現状である。これらの解析に有効なプログラム（アプリ）の開発を行う予定である。
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| Causes of Carryover |
研究で使用している計算化学用ソフトウェアのバージョンアップを予定していたが、手続き等に時間がかかり年度内に納品されなかったため繰越金が発生した。また、参加を予定していた学会が北海道地震の影響で中止になったため、予定より執行額が少なくなった。
次年度はじめにソフトウェアのバージョンアップを行う費用、また学会発表の旅費、または論文掲載にかかる費用に充てる予定である。
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