線形応答関数に基づく反応場計算スキームの開発と酵素の高効率化への応用

• 研究課題/領域番号: 15K05390
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 物理化学
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 山中 秀介 大阪大学, 理学研究科, 准教授 (10324865)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2017年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2016年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2015年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: 線形応答関数 / 反応場設計 / 結合次数 / 酵素 / 遷移状態 / 結合次数の線形応答関数 / 遷移状態構造探索

研究成果の概要

結合次数の線形応答関数に基づいた全く新しい反応場設計法を開発した。具体的には、結合次数の線形応答関数に基づく新たな変分問題を提案し、基質内の形成もしくは解離させたい結合の結合次数を最大にするような外場を計算する方法を開発した。そして安息香酸の酸解離反応、プロテアーゼの加水分解反応、N アセチルグルコサミン転移反応などの反応系に応用した。また、その過程で必要となった自由エネルギーの遷移状態を計算できる新たな方法も開発した。さらに、特定の結合の結合次数の増減を最大にする反応場だけでなく、基質を最も有効にトラップする反応場との重ね合わせが、酵素の高効率な触媒能の源であるという重要な知見を得た。

研究成果

• [雑誌論文] Automated Exploration of Free Energy Landscapes Based on Umbrella Integration (2018)
  • 著者名/発表者名: Yuki Mitsuta、Takashi Kawakami、Mitsutaka Okumura、Shusuke Yamanaka
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 19 号: 4 ページ: 937-937
  • DOI: 10.3390/ijms19040937
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Theory of chemical bonds in metalloenzymes XXI. Possible mechanisms of water oxidation in oxygen evolving complex of photosystem II (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Yamaguchi, M. Shoji, H. Isobe, S. Yamanaka, T. Kawakami, S. Yamada, M. Katouda, T. Nakajima
  • 雑誌名: Molecular Physics 巻: 116 号: 5-6 ページ: 717-745
  • DOI: 10.1080/00268976.2018.1428375
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dielectric Jump and Negative Electrostriction in Metallosupramolecular Ionic Crystals (2018)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Yamashita, Yasuhiro Nakazawa, Shusuke Yamanaka, Mitsutaka Okumura, Tatsuhiro Kojima, Nobuto Yoshinari, Takumi Konno
  • 雑誌名: Scientific Report 巻: 8 号: 1 ページ: 2606-2606
  • DOI: 10.1038/s41598-018-20750-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Full-valence density matrix renormalisation group calculations on meta-benzyne based on unrestricted natural orbitals. Revisit of seamless continuation from broken-symmetry to symmetry-adapted models for diradicals (2017)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kawakami, Toru Saito, Sandeep Sharma, Shusuke Yamanaka, Satoru Yamada, Takahito Nakajima, Mitsutaka Okumura, Kizashi Yamaguchi
  • 雑誌名: Molecular Physics 巻: 115 号: 17-18 ページ: 2267-2284
  • DOI: 10.1080/00268976.2017.1337251
  • 国際共著
• [雑誌論文] Effects of halogens on interactions between a reduced TiO2 (110) surface and noble metal atoms: A DFT study (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Tada, H. Koga, A. Hayashi, Y. Kondo, T. Kawakami, S. Yamanaka, M. Okumura
  • 雑誌名: Applied Surface Science 巻: 411 ページ: 149-162
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2017.03.113
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical Clarification of the Coexistence of Cl Effects on Au/TiO₂: The Interaction between Au Clusters and the TiO₂ Surface, and the Aggregation of Au Clusters on the TiO₂ Surface (2017)
  • 著者名/発表者名: Kohei Tada, Hiroaki Koga, Akihide Hayashi, Yudai Kondo, Takashi Kawakami, Shusuke Yamanaka, Mitsutaka Okumura
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 90 号: 5 ページ: 506-519
  • DOI: 10.1246/bcsj.20160359
  • NAID: 130006770721
  • ISSN: 0009-2673, 1348-0634
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] On the guiding principles for understanding of geometrical structures of the CaMn4O5 cluster in oxygen evolving complex of photosystem II. Proposal of estimation formula of structural deformations via the Jahn-Teller effects (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Yamaguchi, M. Shoji, H. Isobe , S. Yamanaka , Y. Umena, K. Kawakami, N. Kamiya
  • 雑誌名: Mol. Phys. 巻: 217 号: 5 ページ: 636-666
  • DOI: 10.1080/00268976.2016.1278476
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Assessment of semi-empirical molecular orbital calculations for describing magnetic interactions (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Saito, T. Kitagawa, T. Kawakami, S. Yamanaka, M. Okumura, Y. Takano
  • 雑誌名: Polyhedron 巻: 印刷中 ページ: 52-57
  • DOI: 10.1016/j.poly.2017.02.029
  • 査読あり
• [雑誌論文] Density functional study of the magneto-structural correlations of manganese complexes, [Mn2O2Hn(salpn)2]+(2-n) (n=0-2) from the viewpoint of the protonation modes of the bridging oxygen anions (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Miyagawa,K. Komi, J. Ohnari, S. Maruyama, S. Yamanaka, T. Saito, T. Kawakami, K. Yamaguchi, M. Okumura
  • 雑誌名: Polyhedron 巻: 印刷中 ページ: 102-109
  • DOI: 10.1016/j.poly.2017.03.044
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Quantum mechanics study on synthetic model of copper-containing quercetin 2,4-dioxygenase (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Numata, T. Saito , T. Kawakamia, S. Yamanaka, M. Okumura
  • 雑誌名: Polyhedron 巻: 印刷中 ページ: 45-51
  • DOI: 10.1016/j.poly.2017.02.009
  • 査読あり
• [雑誌論文] UNO DMRG Full Valence CI calculations of meta-benzyne. Revisit of seamless continuation from broken-symmetry to symmetry-adapted models for strongly correlated electron systems (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Kawakami, T. Saito, S. Sharma, S. Yamanaka, S. Yamada, T. Nakajima, M. Okumura, K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Molecular Physics 巻: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] Linear response function of bond-order (2016)
  • 著者名/発表者名: N. Suzuki, Y. Mitsuta, M. Okumura, S. Yamanaka
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Science 巻: 17 号: 11 ページ: 1779-1779
  • DOI: 10.3390/ijms17111779
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 有限系におけるNearsightedness of electronic matter (2016)
  • 著者名/発表者名: 満田祐樹、奥村光隆、山中秀介
  • 雑誌名: アンサンブル 巻: 18 ページ: 68-73
  • NAID: 130005630537
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Theoretical Investigation for Hetero-junction Effects in Polymer-stabilized Au Nano-cluster Catalysis: Difference in Catalytic Activity between Au:PVP and Au:PAA (2016)
  • 著者名/発表者名: Kohei Sakata, Yoshinori Atao, Kohei Tada, Hiroaki Koga, Shusuke Yamanaka, Takashi Kawakami, Toru Saito, Mitsutaka Okumura
  • 雑誌名: Chemistry Leters 巻: 45 号: 3 ページ: 344-346
  • DOI: 10.1246/cl.151149
  • NAID: 130005132162
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nearsightedness-related indices of finite systems based on linear response function: one-dimensional cases (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuki Mitsuta, Shusuke Yamanaka, Toru Saito, Takashi Kawakami, Kizashi Yamaguchi, Mitsutaka Okumura, Haruki Nakamura
  • 雑誌名: Molecular Physics 巻: 114 ページ: 380-388
  • DOI: 10.1080/00268976.2015.1076581
  • 査読あり
• [雑誌論文] On the guiding principles for lucid understanding of the damage-free Sl Structure of the CaMn405 cluster in the oxygen evolving complex of photosystem II (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Shoji, H. Isobe, S. Yamanaka, M. Suga, F. Akita, J.-R. Shen, K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 627 ページ: 44-52
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2015.03.033
  • 査読あり
• [雑誌論文] Computational Study of Catalytic Reaction of Quercetin 2,4-Dioxygenase (2015)
  • 著者名/発表者名: Toru Sato, Takashi Kawakami, Shusuke Yamanaka, Mitsutaka Okumura
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry B 巻: 119 号: 23 ページ: 6952-6962
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.5b03564
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical Investigation on the Au-Anchor Site in Phosphate-Doped Au/Al₂O₃Catalysts (2015)
  • 著者名/発表者名: Kohei Tada, Hiroaki Koga, Kohei Sakata, Atsushi Oguni, Toru Saito, Takashi Kawakami, Shusuke Yamanaka, Mitsutaka Okumur
  • 雑誌名: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology 巻: 13 号: 0 ページ: 380-384
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2015.380
  • NAID: 130005089395
  • ISSN: 1348-0391
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Global Reaction Root Mapping in Free Energy of Alanine Tripeptide in Water (2018)
  • 著者名/発表者名: Mitsuta Yuki, Johannes Kastner, S. Yamanaka, T. Kawakami, M. Okumura
  • 学会等名: Sanibel Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] アンブレラ積分を利用した自動自由エネルギー反応経路サンプリング (2017)
  • 著者名/発表者名: 満田祐樹
  • 学会等名: 日本化学会春年会
  • 発表場所: 慶應義塾大学
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] The algorithm of automatic umbrella sampling with umbrella integration (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuki Mitsuta
  • 学会等名: Sanibel Symposium
  • 発表場所: St. Simons Island, US
  • 年月日: 2017-02-21
  • 国際学会
• [学会発表] Development of a new approach to design of catalytic fields (2017)
  • 著者名/発表者名: Shusuke Yamanaka, Tomohiro Maruyama, Jinta Ohnari, Colin Kitakawa, Yuki Mitsuta, Takashi Kawakami, Mitsutaka Okumura
  • 学会等名: The 11th Japanese-Russian Workshop on “Open Shell Compounds and Molecular Spin Devices
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] アンブレラ積分を利用した自由エネルギー反応経路探索法 (2017)
  • 著者名/発表者名: 満田祐樹，山中秀介，川上貴資，奥村光隆
  • 学会等名: 第11回分子科学討論会
• [学会発表] モデル系及び分子系における線形応答関数を用いたNearsightedness of electronic matterの研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 丸山 智大，大成 仁太，満田 祐樹，川上 貴資，山中 秀介，奥村 光隆
  • 学会等名: 第11回分子科学討論会
• [学会発表] 分子構造を反映させた線形応答関数の計算 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大成 仁太，丸山 智大，満田 祐樹，川上 貴資，山中 秀介，奥村 光隆
  • 学会等名: 第11回分子科学討論会
• [学会発表] アンブレラ積分による自動アンブレラサンプリ ングアルゴリズム (2016)
  • 著者名/発表者名: 満田祐樹
  • 学会等名: 分子シミュレーション討論会
  • 発表場所: 大阪大学シグマホール
  • 年月日: 2016-11-30
• [学会発表] Development of a new computational method to design catalytic fields (2016)
  • 著者名/発表者名: Shusuke Yamanaka
  • 学会等名: Japan-France-Spain Joint-Symposium on Theoretical and Computational Science of Complex Systems
  • 発表場所: 京都大学福井研究センター
  • 年月日: 2016-10-26
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] アンブレラ積分を利用した自己学習サンプリング (2016)
  • 著者名/発表者名: 満田祐樹
  • 学会等名: 分子科学討論会
  • 発表場所: 神戸ファッションマート
  • 年月日: 2016-09-15
• [学会発表] 結合次数の線形応答関数を用いた置換安息香酸の酸性度の評価法とその改善 (2016)
  • 著者名/発表者名: 鈴木那由太
  • 学会等名: 分子科学討論会
  • 発表場所: 神戸ファッションマート
  • 年月日: 2016-09-14
• [学会発表] How to model transition metal complexes for QM/MM calculations (2016)
  • 著者名/発表者名: Shusuke Yamanaka
  • 学会等名: International Conference of Molecular Based Magnets
  • 発表場所: 仙台国際センター
  • 年月日: 2016-09-06
  • 国際学会
• [学会発表] QM/MM分子動力学を利用した安息香酸の酸解離反応の計算 (2016)
  • 著者名/発表者名: 満田祐樹
  • 学会等名: 日本化学会第96春季年会
  • 発表場所: 同志社大学 (京都府京田辺市)
  • 年月日: 2016-03-25
• [学会発表] The sensitivity of the linear responses function of the bond orders for the conformation (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuki Mitsuta
  • 学会等名: 2015 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem 2015)
  • 発表場所: Hawaii (USA)
  • 年月日: 2015-12-19
  • 国際学会
• [学会発表] A new method for designing effective fields that mimic catalytic fields based on linear response function of bond order (2015)
  • 著者名/発表者名: Shusuke Yamanaka
  • 学会等名: 2015 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem 2015)
  • 発表場所: Hawaii (USA)
  • 年月日: 2015-12-18
  • 国際学会
• [学会発表] Linear response function of bond-orders: An intrinsic property to describe chemical reactivities of molecules (2015)
  • 著者名/発表者名: Shusuke Yamanaka
  • 学会等名: 6th JCS International Symposium on Theoretical Chemistry
  • 発表場所: Smolenice (Slovakia)
  • 年月日: 2015-10-14
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 結合次数の線形応答関数とその応用 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山中秀介
  • 学会等名: 分子科学討論会2015
  • 発表場所: 東京工業大学(東京都目黒区)
  • 年月日: 2015-09-15