2020 Fiscal Year Research-status Report
大規模励起状態ダイナミクスの開発及び光活性イエロータンパク質への実践的応用
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20K05436
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| Research Institution | Toho University |
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Principal Investigator |
吉川 武司 東邦大学, 薬学部, 准教授 (10754799)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西村 好史 早稲田大学, 理工学術院, 次席研究員(研究院講師) (10778103)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 光受容タンパク質 / 光反応サイクル / 密度汎関数強束縛法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
代表的な光受容タンパク質であるPYPの光異性化過程に着目し、その光励起により誘起されるプロトン移動ダイナミクスの全容解明を目指す。そのために、スーパーコンピュータ「京」で卓越した成果を挙げている分割統治密度汎関数強束縛分子動力学（DC-DFTB-MD）法を励起状態へと拡張し、大規模励起状態ダイナミクス法の基盤を確立しその応用計算を行う。
理論研究では、DC-DFTB-MD法を励起状態へと拡張するため、新たに分割統治時間依存密度汎関数強束縛分子動力学（DC-TDDFTB-MD）法の開発・実装を行う。電荷移動型反応や円錐交差等の描像を改善するため、長距離補正法や有限温度法等の技術をDFTB法に実装した。また、数千原子を超えるシミュレーションを行う場合には、分割統治(DC)法を利用した場合でも計算コストが増大してしまう。そのため、大規模シミュレーションを実行するためには大量のコアを利用した並列計算技術が必須である。そのため、計算機センターの大型並列計算機でも高効率に実行可能なDC-TDDFTB-MDプログラムを開発した。
応用計算では、光異性化過程を取り扱うためには、まず初期構造として基底状態の構造を生成する必要がある。過去の実験研究により、基底状態のPYPではpCAとGlu46との間に特異的な水素結合（低障壁水素結合）が存在することが示唆された。そこで本研究では、基底状態のPYPを対象とした計算を行った。
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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
令和二年度は、励起状態に関する理論開発と項並列化と基底状態計算の応用計算を予定していたので、おおむね順調に進行している。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度は、基底状態計算の更なる検討を行う。さらに、開発・実装したDC-TDDFTB-MD計算を実行し、光吸収によるpCAの異性化反応とそれに伴う水素結合ネットワークの再配置を詳細に追跡することができ、実験的には観測困難な水素原子の動的振る舞いを含めた光異性化過程の全容を解明する。
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| Causes of Carryover |
昨年度はコロナの流行により多くの国際学会が延期あるいはオンライン開催であったため、予算消化が予定よりうまくいかなかった。次年度は、延期された国際学会・シンポジウムの参加費やデータ収集のためのハードウェア（パソコンやハードディスク、メモリ等）の購入費に充てる予定である。
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