2021 Fiscal Year Research-status Report

局所刺激の選択的な応答により不均一運動や形状を遷移させる分子の数理機構の解明

Research Project

Project/Area Number	21K03411
Research Institution	Osaka Electro-Communication University
Principal Investigator	柳田達雄大阪電気通信大学, 工学部, 教授 (80242262)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords	ハミルトンダイナミクス / ビーズスプリングモデル / 準平衡状態 / 多時間摂動 / 遅い緩和 / 分子形態 / 高分子
Outline of Annual Research Achievements	共有結合・分子結合，分岐やループなどの非一様な結合構造による局所運動が生体高分子の機能に関与している．本研究は，生体高分子を粗視化した力学モデルである質点がバネでつながった系（ビーズスプリングモデル）が創出するダイナミクスを数値および理論的に解明し，機能生成に重要と考えられる不均一運動状態の動的生成機構を明らかにすることを目的とする．本年度は，１）ヘテロ結合分子と溶媒粒子が相互作用により系全体がエネルギー非一様状態となる準平衡状態を数値および理論的に示した．この準平衡状態において，溶媒粒子の運動エネルギーがビーズスプリング分子の運動エネルギーよりも常に大きな状態を長時間保持する．また，この保持する時間は，系に内包される時間スケールの差によって規定され，この時間スケールの差の指数関数で増大するボルツマン・ジーンズ則に従う．これらの結果は，”Emergence of quasiequilibrium state and energy distribution for the beads-spring molecule interacting with a solvent”，Physical Review E, 104, pp. 034209--034222 (2021)として報告した．２），ビーズスプリング分子の伸縮振動を与えると，励起モードに応じて分子形態が変化することを数値的に示した（動的形態変化）．例えば，同位相で鎖状の分子間の振動を励起すると直線上の形態を保持し，反位相で振動を励起すると屈曲した分子形態を保持する．これらの結果は分子間ポテンシャルの極小値で規定される静的な形態とはことなる形態を動的に生成できることを示唆している．この動的形態変化を多時間摂動論により理論的に解析し，結果を現在学術雑誌に投稿中である．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason ヘテロ結合分子と溶媒粒子が相互作用により系全体がエネルギー非一様状態となる準平衡状態を数値および理論的に示せ，これらの結果が学術雑誌に掲載されている．また，伸縮振動の励起に伴う分子形態のダイナミカルな変化を数値および理論的に示し現在論文投稿中である．このように本研究課題は概ね順調に進展している．
Strategy for Future Research Activity	先に述べたように，本研究課題は概ね順調に進展している．今後は，伸縮振動の励起に伴う分子の変化が溶媒粒子と相互作用した場合にどのように維持されるかを準平衡状態の観点から明らかにする．数値的な解析が主となり大規模計算となるため，演算速度の優れた計算機を導入してこれらの大規模シミュレーションを実行する．また，鎖状のビーズスプリングモデルを拡張して複雑な結合構造を持つ分子の振動モードの励起に伴う形態変化を解析する．
Causes of Carryover	当初予定していた国際会議，国内学会，研究会がコロナ禍のためリモート会議となり計上していた旅費を使用しなかった．次年度において開催される場合に学会，研究会の旅費として使用する予定である．