生命の起源物質生成の計算機シミュレーション：アミノ酸・核酸とその重合化

• 研究課題/領域番号: 18K03825
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分17050:地球生命科学関連
• 研究機関: 神戸大学
• 研究代表者: 田中 成典 神戸大学, システム情報学研究科, 教授 (10379480)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2020年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2019年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2018年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
• キーワード: 生命の起源 / 第一原理シミュレーション / 分子動力学法 / 密度汎関数法 / 化学反応ネットワーク / 硫化鉄 / 化学反応 / 第一原理計算 / 生体分子合成 / 隕石衝突 / 深海熱水噴出孔

研究成果の概要

原始地球で隕石の飛来による衝撃波のエネルギーによって非還元的小分子から還元的分子やアミノ酸・核酸などが生成されたとする仮説に基づき、第一原理量子力学的動力学シミュレーションを行い、鉄を触媒として高温高圧下でアンモニアや各種炭素化合物の生成が確認された。また、深海熱水噴出孔において反応を促進する硫化鉄の触媒作用に着目した化学反応シミュレーションの高速化のため、密度汎関数法に経験的パラメータを組み込んだDFTB法の開発、特に硫化鉄のシミュレーションに必要なFe-S間のパラメータの開発を行った。さらに、熱水噴出孔を想定した化学反応ネットワークのデータベースに基づく再構成も行った。

研究成果の学術的意義や社会的意義

原始地球でタンパク質や核酸などの生命分子がどのように形成されたか、また、そこから生命系がどのように誕生したのかを物理化学的に探る理論ならびに計算機シミュレーション研究を行うことで、今まで科学的研究の俎上に乗りづらかった「生命の起源」を第一原理から探求することが可能となった。近年注目を集めている、隕石衝突仮説に基づく生命分子の生成や深海熱水噴出孔における硫化鉄の関わる化学反応などをシミュレーションで検証することができ、またそこで必要となる技術開発も同時に進めた。さらに、反応データベースを活用した原初生命ネットワークの再構築も試み、最新のデータ科学が生命の起源研究に有効であることも示した。

研究成果

• [国際共同研究] キール大学(ドイツ)
• [国際共同研究] アルバータ大学(カナダ)
• [国際共同研究] 南カリフォルニア大学(米国)
• [雑誌論文] Non-equilibrium Quantum Brain Dynamics II: Formulation in 3+1 dimensions (2021)
  • 著者名/発表者名: Nishiyama Akihiro、Tanaka Shigenori、Tuszynski Jack A.
  • 雑誌名: Physica A: Statistical Mechanics and its Applications 巻: 567 ページ: 125706-125706
  • DOI: 10.1016/j.physa.2020.125706
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Reaction Pathway Sampling and Free-Energy Analyses for Multimeric Protein Complex Disassembly by Employing Hybrid Configuration Bias Monte Carlo/Molecular Dynamics Simulation (2021)
  • 著者名/発表者名: Kurisaki Ikuo、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: ACS Omega 巻: 6 号: 7 ページ: 4749-4758
  • DOI: 10.1021/acsomega.0c05579
  • NAID: 120007026370
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] FMODB: The World’s First Database of Quantum Mechanical Calculations for Biomacromolecules Based on the Fragment Molecular Orbital Method (2021)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Takaya, Chiduru Watanabe, Shunpei Nagase, Kikuko Kamisaka, Yoshio Okiyama, Hirotomo Moriwaki, Hitomi Yuki, Tomohiro Sato, Noriyuki Kurita, Yoichiro Yagi, Tatsuya Takagi, Norihito Kawashita, Kenichiro Takaba, Tomonaga Ozawa, Midori Takimoto-Kamimura, Shigenori Tanaka, Kaori Fukuzawa, and Teruki Honma
  • 雑誌名: J. Chem. Inf. Model. 巻: 61 号: 2 ページ: 777-794
  • DOI: 10.1021/acs.jcim.0c01062
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Interaction analyses of SARS-CoV-2 spike protein based on fragment molecular orbital calculations (2021)
  • 著者名/発表者名: Akisawa Kazuki、Hatada Ryo、Okuwaki Koji、Mochizuki Yuji、Fukuzawa Kaori、Komeiji Yuto、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 11 号: 6 ページ: 3272-3279
  • DOI: 10.1039/d0ra09555a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Statistical interaction analyses between SARS-CoV-2 main protease and inhibitor N3 by combining molecular dynamics simulation and fragment molecular orbital calculation (2021)
  • 著者名/発表者名: Hatada Ryo、Okuwaki Koji、Akisawa Kazuki、Mochizuki Yuji、Handa Yuma、Fukuzawa Kaori、Komeiji Yuto、Okiyama Yoshio、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 14 号: 2 ページ: 027003-027003
  • DOI: 10.35848/1882-0786/abdac6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Appearance of Thermal Time (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: Foundations of Physics 巻: 51 号: 2 ページ: 34-34
  • DOI: 10.1007/s10701-021-00445-w
  • NAID: 120007026363
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Molecular recognition of SARS-CoV-2 spike glycoprotein: quantum chemical hot spot and epitope analyses (2021)
  • 著者名/発表者名: Watanabe Chiduru、Okiyama Yoshio、Tanaka Shigenori、Fukuzawa Kaori、Honma Teruki
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 12 号: 13 ページ: 4722-4739
  • DOI: 10.1039/d0sc06528e
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Non-Equilibrium Quantum Electrodynamics in Open Systems as a Realizable Representation of Quantum Field Theory of the Brain (2020)
  • 著者名/発表者名: A. Nishiyama, S. Tanaka, and J.A. Tuszynski
  • 雑誌名: Entropy 巻: 22 号: 1 ページ: 43-43
  • DOI: 10.3390/e22010043
  • NAID: 120006823996
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Strongly Coupled Electron Liquid: Ab Initio Path Integral Monte Carlo Simulations and Dielectric Theories (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Dornheim, T. Sjostrom, S. Tanaka, and J. Vorberger
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 101 号: 4 ページ: 045129-045129
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.045129
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] New Modified Deoxythymine with Dibranched Tetraethylene Glycol Stabilizes G-quadruplex Structures (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Tateishi-Karimata, T. Ohyama, T. Muraoka, S. Tanaka, K. Kinbara, and N. Sugimoto
  • 雑誌名: Molecules 巻: 25 号: 3 ページ: 705-705
  • DOI: 10.3390/molecules25030705
  • NAID: 120006811187
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nanoscale Quantum Thermal Conductance at Water Interface: Green’s Function Approach Based on One-Dimensional Phonon Model (2020)
  • 著者名/発表者名: Umegaki Toshihito、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: Molecules 巻: 25 号: 5 ページ: 1185-1185
  • DOI: 10.3390/molecules25051185
  • NAID: 120006844958
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Comparative study on model parameter evaluations for the energy transfer dynamics in Fenna?Matthews?Olson complex (2020)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Yosuke、Watanabe Hirofumi、Okiyama Yoshio、Ebina Kuniyoshi、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: Chemical Physics 巻: 539 ページ: 110903-110903
  • DOI: 10.1016/j.chemphys.2020.110903
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fragment Molecular Orbital Based Interaction Analyses on COVID-19 Main Protease ? Inhibitor N3 Complex (PDB ID: 6LU7) (2020)
  • 著者名/発表者名: Hatada Ryo、Okuwaki Koji、Mochizuki Yuji、Handa Yuma、Fukuzawa Kaori、Komeiji Yuto、Okiyama Yoshio、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: Journal of Chemical Information and Modeling 巻: 60 号: 7 ページ: 3593-3602
  • DOI: 10.1021/acs.jcim.0c00283
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Identification of correlated inter-residue interactions in protein complex based on the fragment molecular orbital method (2020)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Shigenori、Watanabe Chiduru、Honma Teruki、Fukuzawa Kaori、Ohishi Kazue、Maruyama Tadashi
  • 雑誌名: Journal of Molecular Graphics and Modelling 巻: 100 ページ: 107650-107650
  • DOI: 10.1016/j.jmgm.2020.107650
  • NAID: 120006890786
  • 査読あり
• [雑誌論文] Temperature relaxation in binary hard-sphere mixture system: Molecular dynamics and kinetic theory study (2020)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Shigenori、Shimamura Kohei
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 153 号: 3 ページ: 034114-034114
  • DOI: 10.1063/5.0011181
  • NAID: 120006879543
  • 査読あり
• [雑誌論文] Machine learning prediction of inter-fragment interaction energies between ligand and amino-acid residues on the fragment molecular orbital calculations for Janus kinase ? inhibitor complex (2020)
  • 著者名/発表者名: Tokutomi Shusuke、Shimamura Kohei、Fukuzawa Kaori、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 757 ページ: 137883-137883
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2020.137883
  • NAID: 120006890795
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effective Static Approximation: A Fast and Reliable Tool for Warm-Dense Matter Theory (2020)
  • 著者名/発表者名: Dornheim Tobias、Cangi Attila、Ramakrishna Kushal、B?hme Maximilian、Tanaka Shigenori、Vorberger Jan
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 125 号: 23 ページ: 235001-235001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.125.235001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] <b>Development of an automated fragment molecular orbital (FMO) calculation protocol toward construction of quantum mechanical </b><b>calculation database for large biomolecules </b> (2019)
  • 著者名/発表者名: Watanabe Chiduru、Watanabe Hirofumi、Okiyama Yoshio、Takaya Daisuke、Fukuzawa Kaori、Tanaka Shigenori、Honma Teruki
  • 雑誌名: ＣＢＩジャーナル 巻: 19 号: 0 ページ: 5-18
  • DOI: 10.1273/cbij.19.5
  • NAID: 130007618360
  • ISSN: 1347-0442, 1347-6297
  • 年月日: 2019-03-22
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ab Initio Molecular Dynamics Study of Prebiotic Production Processes of Organic Compounds at Meteorite Impacts on Ocean (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Shimamura, F. Shimojo, A. Nakano, and S. Tanaka
  • 雑誌名: Journal of Computational Chemistry 巻: 40 号: 2 ページ: 349-359
  • DOI: 10.1002/jcc.25606
  • NAID: 120006734928
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Fragment Molecular Orbital Calculations with Implicit Solvent Based on the Poisson-Boltzmann Equation: II. Protein and Its Ligand-Binding System Studies (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Okiyama, C. Watanabe, K. Fukuzawa, Y. Mochizuki, T. Nakano, S. Tanaka
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 123 号: 5 ページ: 957-973
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.8b09326
  • 査読あり
• [雑誌論文] Guidelines for Creating Artificial Neural Network Empirical Interatomic Potential from First-Principles Molecular Dynamics Data under Specific Conditions and Its Application to α-Ag2Se (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Shimamura, S. Fukushima, A. Koura, F. Shimojo, M. Misawa, R.K. Kalia, A. Nakano, P. Vashishta, T. Matsubara, and S. Tanaka
  • 雑誌名: J. Chem. Phys. 巻: 151 号: 12 ページ: 124303-124303
  • DOI: 10.1063/1.5116420
  • NAID: 120006734929
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] ATP Converts Aβ42 Oligomer into Off-Pathway Species by Making Contact with Its Backbone Atoms Using Hydrophobic Adenosine (2019)
  • 著者名/発表者名: I. Kurisaki and S. Tanaka
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 123 号: 46 ページ: 9922-9933
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.9b07984
  • NAID: 120006775976
  • 査読あり
• [雑誌論文] Non-Equilibrium Quantum Brain Dynamics: Super-Radiance and Equilibration in 2+1 Dimensions (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Nishiyama, S. Tanaka, and J.A. Tuszynski
  • 雑誌名: Entropy 巻: 21 号: 11 ページ: 1066-1066
  • DOI: 10.3390/e21111066
  • NAID: 120006777079
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Towards Good Correlation between Fragment Molecular Orbital Interaction Energies and Experimental IC50 for Ligand Binding: A Case Study of p38 MAP Kinase (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Sheng, H. Watanabe, K. Maruyama, C. Watanabe, Y. Okiyama, T. Honma, K. Fukuzawa, S. Tanaka
  • 雑誌名: Comput. Struct. Biotech. J. 巻: 16 ページ: 421-434
  • DOI: 10.1016/j.csbj.2018.10.003
  • NAID: 120006549198
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Application of singular value decomposition to the inter-fragment interaction energy analysis for ligand screening (2018)
  • 著者名/発表者名: Maruyama Keiya、Sheng Yinglei、Watanabe Hirofumi、Fukuzawa Kaori、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: Computational and Theoretical Chemistry 巻: 1132 ページ: 23-34
  • DOI: 10.1016/j.comptc.2018.04.001
  • NAID: 120006482609
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Computational Analysis of the Interaction Energies between Amino Acid Residues of the Measles Virus Hemagglutinin and Its Receptors (2018)
  • 著者名/発表者名: F. Xu, S. Tanaka, H. Watanabe, Y. Shimane, M. Iwasawa, K. Ohishi, T. Maruyama
  • 雑誌名: Viruses 巻: 10 号: 5 ページ: 236-236
  • DOI: 10.3390/v10050236
  • NAID: 120006488447
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fragment Molecular Orbital Calculations with Implicit Solvent Based on the Poisson?Boltzmann Equation: Implementation and DNA Study (2018)
  • 著者名/発表者名: Okiyama Yoshio、Nakano Tatsuya、Watanabe Chiduru、Fukuzawa Kaori、Mochizuki Yuji、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 122 号: 16 ページ: 4457-4471
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.8b01172
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Pursuing origins of (poly)ethylene glycol-induced G-quadruplex structural modulations (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Trajkovski, T. Endoh, H. Tateishi-Karimata, T. Ohyama, S. Tanaka, J. Plavec, N. Sugimoto
  • 雑誌名: Nucleic Acids Research 巻: 46 号: 8 ページ: 4301-4315
  • DOI: 10.1093/nar/gky250
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Fragment Molecular Orbital Calculations for SARS-CoV-2 Proteins (2021)
  • 著者名/発表者名: Shigenori Tanaka
  • 学会等名: The 3rd R-CCS International Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ナノ空間での熱伝導・温度緩和：温度生物学の基礎として (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中成典
  • 学会等名: Biothermology Workshop 2020
  • 招待講演
• [学会発表] 生命と量子 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中成典
  • 学会等名: JST-CREST「生命動態の理解と制御のための基盤技術の創出」研究領域・第12回数理デザイン道場
  • 招待講演
• [学会発表] 多体問題と生命 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中成典
  • 学会等名: 研究会「計算生命科学：多体問題から生命システムへ」
  • 招待講演
• [学会発表] Perspectives of Computational Drug Discovery: AMED-BINDS Activities in Japan (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Tanaka
  • 学会等名: AHeDD2019/IPAB2019 Joint Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantum Brain Dynamics from a Viewpoint of Field Theory (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Tanaka and A. Nishiyama
  • 学会等名: The 2nd Workshop on Quantum Cognition
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] FMOデータベースの情報科学的な活用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中成典
  • 学会等名: 日本薬学会第139年会
  • 招待講演
• [学会発表] ライフサイエンスと量子コンピューティング (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中成典
  • 学会等名: 第25回バイオメディカル研究会
  • 招待講演
• [学会発表] BINDSインシリコユニットの紹介 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中成典
  • 学会等名: CBI学会2018年大会
  • 招待講演
• [学会発表] インシリコ創薬の展望 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中成典
  • 学会等名: 第56回日本生物物理学会年会
  • 招待講演
• [図書] Recent Advances of the Fragment Molecular Orbital Method: Enhanced Performance and Applicability (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Mochizuki, S. Tanaka, K. Fukuzawa
  • 総ページ数: 616
  • 出版者: Springer
• [図書] Entropy-Enthalpy Compensation: Finding a Methodological Common Denominator through Probability, Statistics, and Physics (2021)
  • 著者名/発表者名: E. B. Starikov, B. Norden, S. Tanaka
  • 総ページ数: 398
  • 出版者: Jenny Stanford Publishing
• [図書] 計算分子生物学：物質科学からのアプローチ (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中成典
  • 総ページ数: 184
  • 出版者: 内田老鶴圃
  • ISBN: 9784753623136
• [備考] 神戸大学田中研究室ホームページ
  • URL: http://eniac.scitec.kobe-u.ac.jp/tanaka/
• [備考] 神戸大学・田中研究室ホームページ
  • URL: http://eniac.scitec.kobe-u.ac.jp/tanaka/