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構造揺らぎ・構造変化に基づく生体分子の機能発現の理論的解明

研究課題

研究課題/領域番号 16H02254
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
研究分野 物理化学
研究機関分子科学研究所

研究代表者

斉藤 真司  分子科学研究所, 理論・計算分子科学研究領域, 教授 (70262847)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
45,370千円 (直接経費: 34,900千円、間接経費: 10,470千円)
2020年度: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)
2019年度: 10,530千円 (直接経費: 8,100千円、間接経費: 2,430千円)
2018年度: 10,530千円 (直接経費: 8,100千円、間接経費: 2,430千円)
2017年度: 10,790千円 (直接経費: 8,300千円、間接経費: 2,490千円)
2016年度: 7,150千円 (直接経費: 5,500千円、間接経費: 1,650千円)
キーワード構造変化 / 生体分子系機能 / 励起エネルギー移動 / 概日リズム / 反応速度 / 動的乱れ / 機能発現 / 光合成系 / 時計タンパク質 / 一分子速度論 / 分子動力学シミュレーション / イオンチャネル / 化学反応 / 光合成タンパク質 / 酵素反応 / 拡散反応過程 / イオン透過 / 分子シミュレーション / 数理モデル / 水
研究成果の概要

生体分子や液体などの系では、様々な時空間スケールで構造が揺らぎ、変化している。本研究課題では、構造揺らぎの下で、生体分子系における化学反応や構造変化が如何に進むのか、生体分子系の機能が如何に発現するのかについて理論・計算科学研究を進め、タンパク質の構造変化の不均一性や反応における重要な構造の存在、光合成細菌における高効率な励起エネルギー移動の分子機構を解明した。さらに、生体分子系に重要となる水やイオン水溶液のダイナミクスについても理論・計算科学研究を進め、水の構造・動力学・ガラス転移、さらに、水溶液中の水の集団配向運動のイオン・濃度依存性の分子機構を解明した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

反応に関して、タンパク質の折れ畳みを例に構造変化の時間分布が従来の一次元理論では記述できないこと、異性化反応を例に反応前に構造変化に重要な構造励起状態の存在等を明らかにした。生体機能に関しては、光合成細菌における効率的励起エネルギー移動の分子機構を解明した。さらに、水に関する研究において、これまで見出されていなかった状態変化や低いガラス転移温度の起源等を解明した。これらの成果として、2018, 2019年におけるJ. Chem. Phys.のLiquids, Glasses, and Crystals分野のベスト論文に2報の論文が選ばれる等、国際的にも本研究課題の学術的意義が認知されている。

報告書

(6件)
  • 2021 研究成果報告書 ( PDF )
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 2017 実績報告書
  • 2016 実績報告書
  • 研究成果

    (62件)

すべて 2021 2020 2019 2018 2017 2016 その他

すべて 国際共同研究 (6件) 雑誌論文 (17件) (うち国際共著 7件、 査読あり 17件、 オープンアクセス 3件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (26件) (うち国際学会 19件、 招待講演 25件) 図書 (1件) 備考 (12件)

  • [国際共同研究] Sungkyunkwan University(韓国)

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [国際共同研究] Indian Institute of Technology Kanpur(インド)

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [国際共同研究] University California Berkeley(米国)

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [国際共同研究] Indian Institute of Science(インド)

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [国際共同研究] Indian Institute of Science/Indian Institute of Technology, Kanpur(インド)

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [国際共同研究] Indian Institute of Science(インド)

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [雑誌論文] Effects of interfaces on structure and dynamics of water droplets on a graphene surface: A molecular dynamics study2021

    • 著者名/発表者名
      MAURYA Manish、METYA Atanu K.、SINGH Jayant K.、SAITO Shinji
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 154 号: 16 ページ: 164704-164704

    • DOI

      10.1063/5.0046817

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Microscopic insights into dynamic disorder in the isomerization dynamics of the protein BPTI2021

    • 著者名/発表者名
      MATSUMURA Yoshihiro、SAITO Shinji
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 154 号: 22 ページ: 224113-224113

    • DOI

      10.1063/5.0055152

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dissecting the Dynamics during Enzyme Catalysis: A Case Study of Pin1 Peptidyl-Prolyl Isomerase2020

    • 著者名/発表者名
      Mori Toshifumi、Saito Shinji
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Theory and Computation

      巻: 16 号: 5 ページ: 3396-3407

    • DOI

      10.1021/acs.jctc.9b01279

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] An alternative interpretation of the slow KaiB-KaiC binding of the cyanobacterial clock proteins2020

    • 著者名/発表者名
      Koda Shin-ichi、Saito Shinji
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 10 号: 1 ページ: 10439-10439

    • DOI

      10.1038/s41598-020-67298-7

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Tautomeric Effect of Histidine on β-Sheet Formation of Amyloid Beta 1?40: 2D-IR Simulations2020

    • 著者名/発表者名
      NAM Yeonsig、KALATHINGAL Mahroof、SAITO Shinji、LEE Jin Yong
    • 雑誌名

      Biophysical Journal

      巻: 119 号: 4 ページ: 831-842

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2020.07.009

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Molecular Mechanism of Acceleration and Retardation of Collective Orientation Relaxation of Water Molecules in Aqueous Solutions2020

    • 著者名/発表者名
      MORITSUGU Norifumi、NARA Takafumi、KODA Shin-ichi、TOMINAGA Keisuke、SAITO Shinji
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 124 号: 51 ページ: 11730-11737

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.0c10036

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Inverse Kohn Sham Equations Derived from the Density Equation Theory2020

    • 著者名/発表者名
      T. Kato, K. Nobusada, and S. Saito
    • 雑誌名

      J. Phys. Soc. Jpn

      巻: 89 号: 2 ページ: 024301-024301

    • DOI

      10.7566/jpsj.89.024301

    • NAID

      40022155069

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Site-Dependent Fluctuations Optimize Electronic Energy Transfer in the Fenna?Matthews?Olson Protein2019

    • 著者名/発表者名
      Saito Shinji、Higashi Masahiro、Fleming Graham R.
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 123 号: 46 ページ: 9762-9772

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.9b07456

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Theory of coherent two-dimensional vibrational spectroscopy2019

    • 著者名/発表者名
      Jansen Thomas la Cour、Saito Shinji、Jeon Jonggu、Cho Minhaeng
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 150 号: 10 ページ: 100901-100901

    • DOI

      10.1063/1.5083966

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Thermodynamic picture of vitrification of water through complex specific heat and entropy: A journey through “no man’s land”2019

    • 著者名/発表者名
      Saito Shinji、Bagchi Biman
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 150 号: 5 ページ: 054502-054502

    • DOI

      10.1063/1.5079594

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Conformational Excitation and Nonequilibrium Transition Facilitate Enzymatic Reactions: Application to Pin1 Peptidyl-Prolyl Isomerase2019

    • 著者名/発表者名
      Mori Toshifumi、Saito Shinji
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 10 号: 3 ページ: 474-480

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.8b03607

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Crucial role of fragmented and isolated defects in persistent relaxation of deeply supercooled water2018

    • 著者名/発表者名
      Saito Shinji、Bagchi Biman、Ohmine Iwao
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 149 号: 12 ページ: 124504-124504

    • DOI

      10.1063/1.5044458

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Structure and dynamics of solvent molecules inside the polytheonamide B channel in different environments: a molecular dynamics study2018

    • 著者名/発表者名
      Kalathingal Mahroof、Sumikama Takashi、Mori Toshifumi、Oiki Shigetoshi、Saito Shinji
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 20 号: 5 ページ: 3334-3348

    • DOI

      10.1039/c7cp06299k

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Theoretical investigation on vibrational frequency fluctuations of SCN-derivatized vibrational probe molecule in water2018

    • 著者名/発表者名
      M. Okuda, M. Higashi, K. Ohta, S. Saito, K. Tominaga
    • 雑誌名

      Chem. Phys.

      巻: 印刷中 ページ: 82-87

    • DOI

      10.1016/j.chemphys.2018.03.012

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Vibrational frequency fluctuations of ionic vibrational probe in water: Theoretical study with molecular dynamics simulation2017

    • 著者名/発表者名
      M. Okuda, M. Higashi, K. Ohta, S. Saito, K. Tominaga
    • 雑誌名

      Chem. Phys. Lett.

      巻: 683 ページ: 547-552

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2017.03.008

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書 2016 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quantitative evaluation of site energies and their fluctuations of pigments in the Fenna-Matthews-Olson complex with an efficient method for generating a potential energy surface2016

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Higashi, Shinji Saito
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Theory and Computation

      巻: 12 号: 8 ページ: 4128-4137

    • DOI

      10.1021/acs.jctc.6b00516

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Molecular Mechanism Behind the Fast Folding/Unfolding Transitions of Villin Headpiece Subdomain: Hierarchy and Heterogeneity2016

    • 著者名/発表者名
      Toshifumi Mori, Shinji Saito
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 120 号: 45 ページ: 11683-11691

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.6b08066

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Effect of ion on collective orientation relaxation of water2020

    • 著者名/発表者名
      SAITO Shinji
    • 学会等名
      Dynamics of Chemical and Biological Systems
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Effect of ion on collective orientation relaxation of water2020

    • 著者名/発表者名
      SAITO Shinji
    • 学会等名
      Department Seminar, SSCU, Indian Institute of Science
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Effect of ion on collective orientation relaxation of water2020

    • 著者名/発表者名
      S. Saito
    • 学会等名
      Dynamics of Chemical and Biological Systems
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Excitation energy transfer in the Fenna-Matthews-Olson protein optimized by site-dependent fluctuations2019

    • 著者名/発表者名
      S. Saito
    • 学会等名
      Indo-Japan workshop on "Frontiers in Molecular Spectroscopy: From Fundamentals to Applications in Chemistry and Biology"
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Circadian rhythm of Kai system: A reaction model considering reactions and conformational changes2019

    • 著者名/発表者名
      Shinji Saito
    • 学会等名
      Dynamics at the Interface of Chemistry and Biology
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Supercooled water: Structure, dynamics, thermodynamics, and glass transition2019

    • 著者名/発表者名
      Shinji Saito
    • 学会等名
      IMS workshop on Water at interfaces
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Supercooled water: Structure, dynamics, thermodynamics, and glass transition2018

    • 著者名/発表者名
      Shinji Saito
    • 学会等名
      Symposium on Spectroscopic and computational studies of complex chemical systems at different time and length scales
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Supercooled water: Structure, dynamics, thermodynamics, and glass transition2018

    • 著者名/発表者名
      Shinji Saito
    • 学会等名
      Conference on Local Structure and Dynamics of Hydrogen Bonds in Water: Super Cooled Water and Binary Mixture
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Excitation energy transfer in photosynthetic protein FMO2018

    • 著者名/発表者名
      Shinji Saito
    • 学会等名
      Japan-Indo Seminar on Frontiers in Molecular Spectroscopy: From Fundamentals to Applications in Chemistry and Biology
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Supercooled water: Structure, dynamics, and glass transition2018

    • 著者名/発表者名
      Shinji Saito
    • 学会等名
      Energy Landscape 2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Supercooled water: Structure and dynamics2018

    • 著者名/発表者名
      Shinji Saito
    • 学会等名
      1st UJN-SKKU-IMS Symposium on Chemisrty and Materials
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Supercooled water: Structure, dynamics, and Kauzmann temperature2018

    • 著者名/発表者名
      Shinji Saito
    • 学会等名
      7th JCS Symposium
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Circadian rhythm of Kai system: A reaction model considering reactions and conformational changes2018

    • 著者名/発表者名
      Shinji Saito
    • 学会等名
      BK21plus Symposium
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 時計タンパク質概日リズムの反応モデル2017

    • 著者名/発表者名
      甲田信一、斉藤真司
    • 学会等名
      第20回理論化学討論会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Supercooled water: Fluctuation, glass transition, and quantum effects2017

    • 著者名/発表者名
      Shinji Saito
    • 学会等名
      Korea-Japan Molecular Symposium 2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Reaction model for circadian rhythm of Kai system considering elementary processes2017

    • 著者名/発表者名
      Shin-ichi Koda and Shinji Saito
    • 学会等名
      ANSCSE21
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] A reaction model for circadian rhythm of Kai systemconsidering reactions and conformational changes2017

    • 著者名/発表者名
      Shin-ichi Koda and Shinji Saito
    • 学会等名
      APCTCC8
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 素過程に立脚した時計タンパク質概日リズムの反応モデル:反応から機能へ2017

    • 著者名/発表者名
      甲田信一
    • 学会等名
      研究会「凝縮系の理論化学」
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Structure and dynamics of supercooled water2016

    • 著者名/発表者名
      S. Saito
    • 学会等名
      Indo-Japan bilateral seminar
    • 発表場所
      Kanpur, India
    • 年月日
      2016-11-13
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 過冷却水の構造と動力学2016

    • 著者名/発表者名
      斉藤真司
    • 学会等名
      Cryopreservation Conference 2016
    • 発表場所
      岡崎カンファレンスセンター、岡崎市、愛知県
    • 年月日
      2016-11-10
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Structure and dynamics of supercooled water2016

    • 著者名/発表者名
      S. Saito
    • 学会等名
      4th International Conference on Molecular Simulation
    • 発表場所
      Shanghai, China
    • 年月日
      2016-10-23
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Structure and dynamics of supercooled water2016

    • 著者名/発表者名
      S. Saito
    • 学会等名
      2016 annual meeting EMLG-JMLG
    • 発表場所
      Chania, Crete, Greece
    • 年月日
      2016-09-11
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Simulations of proton transfer and energy transfer in excited states2016

    • 著者名/発表者名
      S. Saito
    • 学会等名
      9th International Meeting on Photodynamics and Related Aspects
    • 発表場所
      Mendoza, Argentina
    • 年月日
      2016-05-09
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Dynamics of water and proteins2016

    • 著者名/発表者名
      S. Saito
    • 学会等名
      8th International Kasetsart University Science and Technology Annual Research Symposium
    • 発表場所
      Bangkok, Thailand
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 水の構造とダイナミクス:特異的性質の起源2016

    • 著者名/発表者名
      斉藤真司
    • 学会等名
      琉球大学 化学系講演会
    • 発表場所
      琉球大学、中頭郡西原町、沖縄県
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 揺らぎから物性・機能機構の解明へ2016

    • 著者名/発表者名
      斉藤真司
    • 学会等名
      第3回電子状態シンポジウム
    • 発表場所
      早稲田大学、新宿区、東京都
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 招待講演
  • [図書] Coherent Multidimensional Spectroscopy2019

    • 著者名/発表者名
      M. Okuda, M. Higashi, K. Ohta, S. Saito and K. Tominaga
    • 総ページ数
      394
    • 出版者
      Springer Singapore
    • ISBN
      9789811397530
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [備考] 斉藤真司

    • URL

      https://dyna.ims.ac.jp/shinji/index.html

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公開日: 2016-04-21   更新日: 2023-01-30  

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