2013 Fiscal Year Annual Research Report
ＤＮＡの協同的分子認識機構解明のための電子相関効果を導入した量子化学解析法と応用
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23245005
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
青木 百合子 九州大学, 総合理工学研究科(研究院), 教授 (10211690)
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| Project Period (FY) |
2011-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 量子化学 / DNA / Ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ法 / 電子状態 |
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| Research Abstract |
昨年までに、Elongation法において本質的に局在化しないいくつかのπ電子軌道を自動的に認識して相互作用に取り込むことにより、従来法との全エネルギー誤差が大幅に改善されたので、これをＤＮＡに適用したが、領域ベースではなく軌道ベースであるがために、従来のAO-cutoff+QFMM法の導入が難しくなり、計算速度が本方法を利用しないときに比べて劣るという別の問題が見出された。これを解決するために、軌道ベースによる活性空間の定義を行う手法にAO-cutoff+QFMM法を組み込むためのプログラミングを行った。
また、Elongation-LMP2 法のレベルで、効率よく電子相関子を導入する手法を合わせて開発中である。Active 軌道のみをLMP2法で扱うために、高効率で電子相関効果の導入が可能であることを確認している。
高効率構造最適化のためのElongation-opt法において、局所的な構造変化のみならずグローバルな構造変化を捉える必要があるため分子動力学法との結合によりElongation-MDを開発した。単なる電子状態のみを利用した構造最適化に比べて、より安定な構造を見つけやすいことを見出している。
一方、応用として、A-type, B-type, Z-typeなどにおける種々のG-C,A-T塩基対配列のパターンに対して構造最適化後にエネルギーバンドの抽出を行ない、カウンターイオン効果と電子伝導性との関連について詳しく調べる手法を発展させている。一例として、ＤＮＡへの添加材によって水素結合が一部切断されることにより、互変異生体によって引き起こされるミスマッチ塩基対形成を取り上げ、本現象に深く関わるＤＮＡ複製過程に対して本構造最適化法を応用した。
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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
系の電子状態が非局在化していても計算効率をオーダーＮにするために、軌道ベースによる活性空間の定義を行う手法にAO-cutoff+QFMM法を組み込むためのプログラミングを行い、簡単なモデル系に対して稼働確認を行った。さらに巨大系に対しても適用し、精度を落とすことなく、高速化されることを確認したあとに、様々なＤＮＡに対してテストを行った。一般的に高分子末端部の最適化においては、末端が自由自在に動くときには、Elongation-opt法により効率よく計算できるが、ＤＮＡのようにリン酸結合により構造が決まってしまう場合には、末端部の最適化の回数を返って増大させるという問題が存在する。これを解決するためにまず、構造が固定されているチューブ系に対して、末端固定適化法を適用して効率を上げることができた。一方、Elongation-opt法の開発においては、ポリグリシンが水で囲まれた系に対してテスト計算を行い、従来およびElongation法による電子状態のみ扱う構造最適化に比べて、より安定な構造を見つけやすいことを見出した。また、従来のab initio－ＭＤ法と比較しても、Elongation-MD法の方が高効率である。様々な温度のもとでの、水中ポリグリシンの挙動や、水素結合状態の変化について解析した。ＤＮＡの修復メカニズム解明のための応用として、ＤＮＡへの添加材によって水素結合が一部切断されることにより、互変異生体によって引き起こされるミスマッチ塩基対形成について解明を試みた。効率よく構造を決めるための手法として、複数の塩基対による当研究室独自のStructural-SCF法を適用し、Elongation-Counterpoise法を開発した。予定外の手法を導入したために、得られた結果の解析は現在進行中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
ＤＮＡのような筒状に伸長していく系の構造最適化において、その効率を落とす原因の一つが判明した。Elongation法による構造最適化において、Active軌道のみの末端部の最適化においては、次に付加する塩基対の構造が分かっているにもかかわらず、末端のリン酸結合部の結合を切断して水素付加して構造最適化していた。よって、次の塩基対が存在しないという仮定のもとで構造最適化を行うために、End-effectにより、塩基対付加後の構造と大きく異なる部分に収束していた。これを元に、次に塩基対を付加させて最適化するときには、予想以上の最適化のサイクルが必要となる。よって、Active末端部の構造を長い系の一部としての構造に固定して、Active部分より内部部分のみを最適化する手法を導入することにより、非常に効率的に構造最適化が終了させる手法をＤＮＡに適用する必要がある。
電子相関効果の導入に関しては、全系をHartree-FockレベルによるElongation法で解いた後に、LMP2法を導入する手法と、最初からダイレクトにHF+LMP2 法のレベルで高分子鎖を伸長していくという二つの手法で開発している。両方の手法に対して、利点と不利な点を明確にし、扱う系により、どちらの手法がより効果的かを見極める必要がある。
Elongation-分子動力学法の稼働確認は簡単なポリグリシンと水からなる系でしか応用をおこなっていない。より一般的に、ＤＮＡや糖鎖などの柔らかい生体系に適用し、本方法の有効性を実証していきたい。
ＤＮＡの修復メカニズム解明のための応用については、新しく導入したElongation-Counterpoise法により、相互作用エネルギーをより精密に解くことが可能となったが、これを様々な塩基対を有するＤＮＡについて適用し、その信頼性を確認していく予定である。
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