2019 Fiscal Year Research-status Report
Computer simulation on material synthesis for origin of life
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18K03825
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
田中 成典 神戸大学, システム情報学研究科, 教授 (10379480)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 生命の起源 / 第一原理シミュレーション / 分子動力学法 / 密度汎関数法 / 化学反応 / 硫化鉄 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
我々は、原始地球でタンパク質や核酸などの生命分子がどのように形成されたかを探る大規模計算機シミュレーションを行っている。これまでに、大量の隕石の飛来がもたらした衝撃波のエネルギーによって非還元的小分子（水、窒素、二酸化炭素など）から還元的分子（アンモニア、メタンなど）やアミノ酸・核酸・糖などが生成されたとする仮説に基づき、主に第一原理量子力学的動力学シミュレーションにより、隕石に含まれる鉄を触媒として、高温高圧下でアンモニアやギ酸などの炭素化合物の生成が確認され、仮説を裏付ける計算結果が得られた。また、化合物生成に至る様々な反応メカニズム・反応経路について詳細に議論し、3編の論文として報告した。ところで、現在の生命起源論においては海底の熱水噴出孔が注目されており、そこでは反応を促進する上で、鉄イオウクラスターの果たす役割が重要であると考えられている。そこで、本プロジェクトではまず、硫化鉄の触媒作用に着目した化学反応シミュレーションを試みたが、その検証のために計算の高速化が必要となった。そのため、第一原理手法である密度汎関数法に経験的パラメータを組み込み計算の精度維持と高速化を可能にする、強結合近似に基づく密度汎関数法（DFTB）に着目し、その開発を進めている。DFTBパラメータには、硫化鉄のシミュレーションに必要なFe-S間のパラメータが報告されておらず、また、パラメータ開発の明確な手順が公開されていないため、Fe-Sのパラメータ開発を行い、Pyrite 構造に対して、格子定数、体積弾性率、定積熱容量などの実験値の再現が可能となった。これらの成果を踏まえ、硫化鉄を触媒とする生命分子生成シミュレーションに加え、反応シミュレーションをさらに高速化するための機械学習ポテンシャルの作成や、熱水噴出孔を想定した化学反応ネットワークのデータベースに基づく再構成などにも取り組んでいる。
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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
本研究の大きな目標は「生命分子系が原始地球においてどのように形成されたか」を明らかにすることであり、その目標に向けて、原始地球環境における化学反応を第一原理的に記述できるシミュレーション手法の開発を共同研究者の島村孝平博士とともに進めている。本プロジェクトでは、化学反応の高速シミュレーションを可能とするDFTB法に注目しており、そこでのパラメータ開発において、機械学習や人工知能技術を用いた解析の重要性を鑑み、H30年度には本課題の予算で、計算機システム「Deep Learning Entry Workstation」を購入・設置した。このシステムを用い、第一原理化学反応シミュレーションの手法整備や応用計算を進めている（上記「研究実績の概要」参照）。また、「生命の起源」研究は極めて学際的であり、他分野の研究者との活発な交流が必須であるため、2018年10月のCBI学会2018年大会に続き、2019年の大会においても、フォーカストセッション「生命の起源：代謝システムの誕生」を開催し、オーガナイザーとして国内の著名な研究者を招聘して講演を行っていただいた。
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| Strategy for Future Research Activity |
DFTBソフトウェアの改良に関し、パラメータ化対象の元素の結合（共有結合性・金属結合性）を正確に評価できるようにし、さらに、パラメータフィッティングの時間短縮のためにプログラムコードの改良を進めている。硫化鉄に関しては、これまでPyrite構造だけに着目してきたが、今後、他のFeS結晶構造でも再現可能かどうかを検証する。そして、現在、DFTB法による化学反応シミュレーションを可能とするために、主にFeを中心とした研究を進めているが、今後は、分子動力学シミュレーションの高速化を目的とした他の遷移金属（Mn、Cu、Niなど）に対するパラメータ（DFTBパラメータ）開発も考えている。こうした研究開発においては、近年進展が目覚しい機械学習や人工知能の技術も積極的に活用していく。また、これらの研究と並行して、生命発祥の場所の候補として注目を集めている海底熱水噴出孔で起きたであろう化学反応ネットワークを再現するために、LUCApediaやKEGGデータベース（DB）を用いたDB-orientedの反応ネットワーク構築も進めていく予定である。
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| Causes of Carryover |
2019年度に予定していた書籍購入・納入が年度内に間に合わなかったため、購入を次年度に繰り越した。
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Research Products
(17 results)
