Theoretical Development for Chemical Reaction Dynamics and Kinetics in Molecular Systems with Heterogeneous and Dynamical Fluctuations

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19J01569
• Research Institution: Institute for Molecular Science
• Principal Investigator: 松村 祥宏 分子科学研究所, 理論・計算分子科学研究領域, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Keywords: Dynamical disorder / Rate process / Protein dynamics / Fluctuations / Heterogeneity / Molecular theory

Outline of Annual Research Achievements

凝縮分子系における反応・遷移過程の速度係数の揺らぎの分子論的起源を解明するため、理論解析手法の開発を前年度に引き続き進めた。水溶液中のBPTIタンパク質の超長時間（１ミリ秒）の分子シミュレーションの時系列データに応用し、構造遷移ダイナミクスにおける複雑な揺らぎの影響の分子論的起源の解析を進めた。
BPTIはアミノ酸58残基からなる物理化学研究のモデルタンパク質であり、NMR緩和分散実験によりシステイン残基間ジスルフィド結合の構造異性化ダイナミクスが観測されている。また、超長時間（１ミリ秒）の分子動力学シミュレーションも行われた。本研究では、構造異性化ダイナミクスにおける微視的構造状態の揺らぎの動的影響を、確率的に揺らぐ反応速度係数を用いた理論モデルに基づいて調べた。
前年度は、BPTIにおける構造異性化ダイナミクスにおける反応速度変調の影響を明らかにした。本年度は、反応速度変調を特徴づける指標を新たに導入し、微視的構造状態の揺らぎとの関連を明らかにした。反応速度が確率論的に揺らぐモデルに関する理論研究は90年代にも行われたが、反応速度の揺らぎの裏にある分子機構を明らかにした研究はこれまでになく、非常に意義が大きい。
本理論手法は、分子動力学シミュレーションの時系列データを解析することで、複雑な揺らぎの中で起こる分子の構造変化や化学反応のメカニズムを微視的に明らかにできる。今回の理論解析手法は多次元分光法で展開されてきた解析手法への拡張も容易であり、さらに詳細な解析が可能となる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

前年度の理論解析手法の開発を予定より深く進めた。一方、多次元分光法で展開されてきた解析手法への拡張は次年度に持ち越す。

Strategy for Future Research Activity

理論解析手法を多次元分光法で展開されてきた解析手法へ拡張する。