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大きな揺らぎの存在する媒体中での高分子挙動に関する理論的解析手法の開発とその応用

研究課題

研究課題/領域番号 19031013
研究種目

特定領域研究

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関豊橋技術科学大学

研究代表者

墨 智成  豊橋技術科学大学, 工学部, 助教 (40345955)

研究期間 (年度) 2007 – 2008
研究課題ステータス 完了 (2008年度)
配分額 *注記
4,700千円 (直接経費: 4,700千円)
2008年度: 2,700千円 (直接経費: 2,700千円)
2007年度: 2,000千円 (直接経費: 2,000千円)
キーワードDNA / 自己凝縮転移 / 塩効果 / 疎水性相互作用 / 密度汎関数理論 / マルチスケールシミュレーション / 液体論 / 超臨界溶媒 / 二成分混合溶媒 / 気-液相転移 / 液-液相分離 / 高分子鎖 / 膨潤 / 凝縮
研究概要

本研究の目的は大きな揺らぎが存在する媒体中での高分子挙動を理論的に調べる事であるが, 昨年度に行った, 一成分溶媒の気-液臨界点近傍および二成分混合溶媒の液-液相分離臨界点近傍での高分子鎖の解析に引き続き, 今年度は, 電解質水溶液中でのDNA鎖の自己凝縮転移に関する研究を行った.
DNA鎖は電解質水溶液中において, 負に帯電した荷電高分子鎖となり, 鎖内のクーロン反発によって, ランダムコイルを形状する. この状態に, 三価ポリアミンであるスペルミジン(SPD^<3+>)を数から数十mM程度添加すると, 環状コイル形状へ自己凝縮転移する現象が観測されている.また, 温度変化に関しては, 低温でランダムコイル形成をとるDNA鎖は, 温度上昇に伴い環状コイルへ自己凝縮転移する観測結果が報告されている.
一般に電解質水溶液中での荷電高分子鎖(DNAの粗視化モデル)のブラウニアン動力学法では, 水は連続誘電体とし, イオンは荷電粒子としてモデル化する.このモデルにおける自己凝縮転移のメカニズムとしては, 多価イオンのイオン強結合による電荷秩序状態の形成が考えられるが, 水を露に考慮しないこのモデル化では, 自己凝縮転移を再現する事は出来なかった. また, 温度変化に関しては, 温度の上昇により慣性半径が増加する(実験とは逆の)結果が得られた. そこで我々は, タンパク質の天然構造の安定性において重要となる疎水性相互作用に着目し, 水の凝集性液体としての性質(強い界面張力)を考慮した電解質水溶液モデルを構築した. この粗視化モデルに対して, 密度汎関数理論(DFT)に基づく液体論的手法を用いたマルチスケールシミュレーション法を適用し, 荷電高分子鎖(DNA鎖)の自己凝縮現象について解析を行った.その結果, SPD^<3+>の添加および温度上昇に伴う自己凝縮転移を定性的に再現出来る事が示された.また, 溶媒和自由エネルギーの解析から, SPD^<3+>の添加および温度上昇により, 溶媒和自由エネルギーが大きく上昇する事が分かった.これらの結果から, (a)SPD^<3+>の添加に伴う疎水性相互作用の強化, (b)温度上昇に伴う水和エントロピーの増加に起因した疎水性相互作用の強化, が電解質水溶液の貧溶媒化を導き, これが自己凝縮転移の駆動力となる事が示された.本研究で考慮した電解質水溶液における水の寄与は, タンパク質やコロイドの塩析に関する現象を記述するのに必要不可欠であり, ソフトマター物理においても重要な要素の一つであると考えられる.

報告書

(2件)
  • 2008 実績報告書
  • 2007 実績報告書
  • 研究成果

    (23件)

すべて 2009 2008 2007

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (19件)

  • [雑誌論文] Critical Casimir effect in a polymer chain in supercritical solvent2009

    • 著者名/発表者名
      Tomonari Sumi, Nobuyuki I mazaki, and Hideo Sekino
    • 雑誌名

      Physical Review E 79

    • 関連する報告書
      2008 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Metal-nonmetal transition in dense fluid hydrogen2008

    • 著者名/発表者名
      Tomonari Sumi and Hideo Sekino
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Physics 128

    • 関連する報告書
      2007 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Self-Consistent Density-Functional Approach for Homogeneous and Inhomogeneous Classical Fluids2008

    • 著者名/発表者名
      Tomonari Sumi and Hideo Sekino
    • 雑誌名

      The Journal of the Physical Society of Japan 77

    • NAID

      110006633479

    • 関連する報告書
      2007 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Behavior of a polymer chain immersed in a binary mixture of solvents2007

    • 著者名/発表者名
      Tomonari Sumi, Kazuhiko Kobayashi and Hideo Sekino
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Physics 127

    • 関連する報告書
      2007 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 粗視化高分子モデルを用いたタンパク質の熱変性メカニズムの解析2009

    • 著者名/発表者名
      墨智成,今崎伸幸,関野秀男
    • 学会等名
      日本物理学会第64回年次大会
    • 発表場所
      立教大学
    • 年月日
      2009-03-28
    • 関連する報告書
      2008 実績報告書
  • [学会発表] 電解質水溶液中でのDNA鎖の自己凝縮転移 : 水と塩による溶媒和現象2009

    • 著者名/発表者名
      墨智成, 鈴木千秋, 関野秀男
    • 学会等名
      第3回特定領域研究会(依頼講演)
    • 発表場所
      九州大学
    • 年月日
      2009-01-07
    • 関連する報告書
      2008 実績報告書
  • [学会発表] DNAの自己凝縮転移 : 高分子電解質系における疎水性相互作用の重要性2008

    • 著者名/発表者名
      墨智成, 鈴木千秋, 関野秀男
    • 学会等名
      第22回分子シミュレーション討論会(依頼講演)
    • 発表場所
      岡山大学
    • 年月日
      2008-11-21
    • 関連する報告書
      2008 実績報告書
  • [学会発表] 多価塩存在下でのDNAの自己凝縮転移 : 水と塩による疎水性水和現象2008

    • 著者名/発表者名
      墨智成, 鈴木千秋, 関野秀男
    • 学会等名
      第9回大つくば物理化学セミナー(招待講演)
    • 発表場所
      城西大学
    • 年月日
      2008-11-21
    • 関連する報告書
      2008 実績報告書
  • [学会発表] 一価および多価塩存在下でのDNA鎖の自己凝縮転移 : 高分子電解質系における疎水性相互作用の解析2008

    • 著者名/発表者名
      墨智成, 鈴木千秋, 関野秀男
    • 学会等名
      第2回分子科学討論会
    • 発表場所
      九州大学
    • 年月日
      2008-09-26
    • 関連する報告書
      2008 実績報告書
  • [学会発表] 障害物固定粒子存在下での粒子の拡散 : マスター方程式によるアプローチ2008

    • 著者名/発表者名
      墨智成, 関野秀男, 田中善喜
    • 学会等名
      日本物理学会2008秋季大会
    • 発表場所
      岩手大学
    • 年月日
      2008-09-22
    • 関連する報告書
      2008 実績報告書
  • [学会発表] Behavior of a polymer chain immersed in a binary mixture of solvents near the liquid-liquid phase separation2008

    • 著者名/発表者名
      Tomonari Sumi, Kazuhiko Koba yashi, and Hideo Sekino
    • 学会等名
      7th Liquid Matter □Conference
    • 発表場所
      Lund University, Lund, Sweden
    • 年月日
      2008-06-29
    • 関連する報告書
      2008 実績報告書
  • [学会発表] Universal and Characteristic Phenomena of a Polymer Chain Immersed in a Supercritical Solvent Near the Critical Point2008

    • 著者名/発表者名
      Tomonari Sumi, Nobuyuki Imazaki, and Hideo Sekino
    • 学会等名
      International Symposium on Non-Equilibrium Soft Matter
    • 発表場所
      Kyoto University
    • 年月日
      2008-06-03
    • 関連する報告書
      2008 実績報告書
  • [学会発表] 超臨界流体中における溶質の揺らぎ : ポジトロン消滅と高分子鎖の凝縮・膨潤2008

    • 著者名/発表者名
      墨智成, 今崎伸幸, 関野秀男
    • 学会等名
      第11回理論化学討論会
    • 発表場所
      慶応義塾大学
    • 年月日
      2008-05-24
    • 関連する報告書
      2008 実績報告書
  • [学会発表] 超臨界溶媒の気-液臨界点近傍での高分子鎖の普遍的および特異的挙動2008

    • 著者名/発表者名
      墨智成, 今崎伸幸, 関野秀男
    • 学会等名
      日本物理学会第63回年次大会
    • 発表場所
      近畿大学
    • 年月日
      2008-03-23
    • 関連する報告書
      2007 実績報告書
  • [学会発表] 高密度流体水素の金属-プラズマクロスオーバーおよび金属-非金属転移2008

    • 著者名/発表者名
      墨智成, 関野秀男
    • 学会等名
      分子研若手研究会『理論分子科学のフロンティアを探る』
    • 発表場所
      自然科学研究機構分子科学研究所
    • 年月日
      2008-01-17
    • 関連する報告書
      2007 実績報告書
  • [学会発表] 超臨界流体の気-液臨界点近傍での高分子鎖の振る舞い2008

    • 著者名/発表者名
      墨智成, 今崎伸幸, 関野秀男
    • 学会等名
      ソフトマター物理第2回公開シンポジウム
    • 発表場所
      名古屋大学
    • 年月日
      2008-01-08
    • 関連する報告書
      2007 実績報告書
  • [学会発表] Behavior of a polymer chain immersed in a binary mixture of solvents2007

    • 著者名/発表者名
      Tomonari Sumi, Kazuhiko Kobayashi, Hideo Sekino
    • 学会等名
      第30回溶液化学シンポジウム・JMLG/EMLGミーティング2007合同大会
    • 発表場所
      福岡大学
    • 年月日
      2007-11-24
    • 関連する報告書
      2007 実績報告書
  • [学会発表] 不均一系の密度汎関数理論の開発と応用2007

    • 著者名/発表者名
      墨智成, 関野秀男
    • 学会等名
      日本物理学会第62回年次大会
    • 発表場所
      北海道大学
    • 年月日
      2007-09-23
    • 関連する報告書
      2007 実績報告書
  • [学会発表] 二成分混合溶媒の液〓液相分離臨界点近傍での高分子鎖に関する理論的研究2007

    • 著者名/発表者名
      墨智成, 小林一彦, 関野秀男
    • 学会等名
      第1回分子科学討論会
    • 発表場所
      東北大学
    • 年月日
      2007-09-19
    • 関連する報告書
      2007 実績報告書
  • [学会発表] Polymer behavior in supercritical fluid mixture near the liquid-liquid phase separation2007

    • 著者名/発表者名
      Tomonari Sumi and Hideo Sekino
    • 学会等名
      Gordon Kesearch Conferences [Liquids, Chemistry & Physics Of]
    • 発表場所
      Holderness School in Plymouth NH United States
    • 年月日
      2007-08-01
    • 関連する報告書
      2007 実績報告書
  • [学会発表] 電子-核混合系のDFTに基づく流体水素の金属- 非金属転移の理論解析2007

    • 著者名/発表者名
      墨智成, 関野秀男
    • 学会等名
      第10回理論化学討論会
    • 発表場所
      名古屋大学
    • 年月日
      2007-05-16
    • 関連する報告書
      2007 実績報告書
  • [学会発表] ナノピラーを用いたマイクロチップ電気泳動の計算機シミュレーション2007

    • 著者名/発表者名
      内田雄介, 墨智成, 関野秀男
    • 学会等名
      第10回理論化学討論会
    • 発表場所
      名古屋大学
    • 年月日
      2007-05-14
    • 関連する報告書
      2007 実績報告書
  • [学会発表] 二成分混合溶媒の液-液相分離臨界点近傍における高分子挙動の理論的研究2007

    • 著者名/発表者名
      小林一彦, 墨智成, 関野秀男
    • 学会等名
      第10回理論化学討論会
    • 発表場所
      名古屋大学
    • 年月日
      2007-05-14
    • 関連する報告書
      2007 実績報告書

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公開日: 2007-04-01   更新日: 2018-03-28  

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