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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

Research Project

Project/Area Number 20K05436
Research InstitutionToho University

Principal Investigator

吉川 武司  東邦大学, 薬学部, 准教授 (10754799)

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)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
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
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。

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。

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。

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。

  • Research Products

    (9 results)

All 2021 2020

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results) Presentation (3 results)

  • [Journal Article] Fast Nonadiabatic Molecular Dynamics via Spin-Flip Time-Dependent Density-Functional Tight-Binding Approach: Application to Nonradiative Relaxation of Tetraphenylethylene with Locked Aromatic Rings2020

    • Author(s)
      Uratani Hiroki、Morioka Toshiki、Yoshikawa Takeshi、Nakai Hiromi
    • Journal Title

      Journal of Chemical Theory and Computation

      Volume: 16 Pages: 7299~7313

    • DOI

      10.1021/acs.jctc.0c00936

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Finite-temperature-based time-dependent density-functional theory method for static electron correlation systems2020

    • Author(s)
      Yoshikawa Takeshi、Doi Toshiki、Nakai Hiromi
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 152 Pages: 244111~244111

    • DOI

      10.1063/1.5144527

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Spin‐flip approach within time‐dependent density functional tight‐binding method: Theory and applications2020

    • Author(s)
      Inamori Mayu、Yoshikawa Takeshi、Ikabata Yasuhiro、Nishimura Yoshifumi、Nakai Hiromi
    • Journal Title

      Journal of Computational Chemistry

      Volume: 41 Pages: 1538~1548

    • DOI

      10.1002/jcc.26197

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Unveiling controlling factors of the S0/S1 minimum energy conical intersection (2): Application to penalty function method2020

    • Author(s)
      Inamori Mayu、Ikabata Yasuhiro、Yoshikawa Takeshi、Nakai Hiromi
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 152 Pages: 144108~144108

    • DOI

      10.1063/1.5142592

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Large-Scale Molecular Dynamics Simulation for Ground and Excited States Based on Divide-and-Conquer Long-Range Corrected Density-Functional Tight-Binding Method2020

    • Author(s)
      Komoto Nana、Yoshikawa Takeshi、Nishimura Yoshifumi、Nakai Hiromi
    • Journal Title

      Journal of Chemical Theory and Computation

      Volume: 16 Pages: 2369~2378

    • DOI

      10.1021/acs.jctc.9b01268

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Hierarchical parallelization of divide‐and‐conquer density functional tight‐binding molecular dynamics and metadynamics simulations2020

    • Author(s)
      Nishimura Yoshifumi、Nakai Hiromi
    • Journal Title

      Journal of Computational Chemistry

      Volume: 41 Pages: 1759~1772

    • DOI

      10.1002/jcc.26217

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Spin-flip型密度汎関数強束縛法のダイナミクスシミュレーションへの拡張及び光活性タンパク発色団の光異性化への応用2021

    • Author(s)
      森岡俊貴, 浦谷浩輝,吉川武司, 中井浩巳
    • Organizer
      日本化学会第101春季年会
  • [Presentation] 分割統治型励起状態計算に基づく凝縮系非断熱分子動力学シミュレーション手法の開発と応用2020

    • Author(s)
      浦谷浩輝, 森岡俊貴, 吉川武司, 中井浩巳
    • Organizer
      第34回分子シミュレーション討論会
  • [Presentation] 分割統治型密度汎関数強束縛分子動力学・メタダイナミクス計算の階層的並列化2020

    • Author(s)
      西村好史,中井浩巳
    • Organizer
      第34回分子シミュレーション討論会

URL: 

Published: 2021-12-27  

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