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生体分子系に対する振動状態理論の開発と応用

公募研究

研究領域理論と実験の協奏による柔らかな分子系の機能の科学
研究課題/領域番号 16H00857
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

八木 清  国立研究開発法人理化学研究所, 杉田理論分子科学研究室, 専任研究員 (30401128)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2018-03-31
研究課題ステータス 完了 (2017年度)
配分額 *注記
6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円)
2017年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2016年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
キーワード分子振動解析 / 非調和性 / 高分子材料の水和 / QM/MM計算 / 希ガス効果 / 理論化学 / 分子振動 / プロトン化水クラスター / ポリペプチド
研究実績の概要

振動分光法は,分子間相互作用を鋭敏に観測し,分子構造とダイナミクスを明らかにできる手法であるが,スペクトルの解釈が容易でない.本研究では,生体分子の振動スペクトルを定量的精度で計算できる新しい方法を開発する.①非調和性,②生体環境の動的効果,③計算コストをバランス良く考慮した計算手法を考案し,プログラムに実装する.
重み平均法によるナイロン6に対する振動解析を実施した.分子動力学(MD)計算と,最近,我々が開発した重み平均法を用いて,含水に伴うナイロン6の高分子構造を調べた.含水とともにナイロン6内部に水クラスターが成長し,その信号が差スペクトルに現れることが計算と実験の比較から分かった.本手法は,水和にともなう生体分子の構造解析にも応用可能であり,有望な手法であることが示された.
また、PtCOの基音の振動バンドがArマトリックスにおいて消失する機構を解明した.高精度電子状態計算と非調和振動解析を用いて,PtCOとArPtCOの振動スペクトルを計算した.その結果,ArがPtCOに強く結合することで,PtCO変角振動の基音が消失するが,一方で,倍音はその強度を変えないことが分かった.Ar付加により,基音の強度が変化する理由を双極子モーメントと電子密度へ立ち返り,詳細に調べた.Arマトリックスと気相の実験結果が異なる謎は,このような異常な希ガス効果が原因であることを解明した.
QM/MM法をGENESISへ実装した。QM/MM法は,化学的に重要な領域を高精度な量子化学(QM)計算で扱い,それ以外の生体環境を力場関数(MM)により扱うマルチスケールモデルである.理研で開発しているMD計算プログラムGENESISにQM/MM法を実装した.また,効率よく安定構造を探索するアルゴリズムと,安定構造近傍での非調和振動計算を実装した.

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2017 実績報告書
  • 2016 実績報告書
  • 研究成果

    (16件)

すべて 2018 2017 2016

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 3件、 招待講演 4件)

  • [雑誌論文] Fundamental peak disappears upon binding of noble gas: a case of vibrational spectrum of PtCO in argon matrix2018

    • 著者名/発表者名
      Yuriko Ono, Kiyoshi Yagi, Toshiyuki Takayanagi, and Tetsuya Taketsugu
    • 雑誌名

      Phys. Chem. Chem. Phys.

      巻: 20 号: 5 ページ: 3296-3302

    • DOI

      10.1039/c7cp06713e

    • NAID

      120006552866

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Weight-Averaged Anharmonic Vibrational Analysis of Hydration Structures of Polyamide 62017

    • 著者名/発表者名
      Thomsen Bo、Kawakami Tomonori、Shigemoto Isamu、Sugita Yuji、Yagi Kiyoshi
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 121 号: 24 ページ: 6050-6063

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.7b00372

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Infrared Spectra of Protonated Water Clusters, H+(H2O)4, in Eigen and Zundel Forms Studied by Vibrational Quasi-Degenerate Perturbation Theory2017

    • 著者名/発表者名
      K. Yagi and B. Thomsen
    • 雑誌名

      Journal of Physical Chemistry A

      巻: 121 号: 12 ページ: 2386-2398

    • DOI

      10.1021/acs.jpca.6b11189

    • 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] Anharmonic Vibrational Analyses of Pentapeptide Conformations Explored with Enhanced Sampling Simulations2016

    • 著者名/発表者名
      H. Otaki, K. Yagi, S. Ishiuchi, M. Fujii, and Y. Sugita
    • 雑誌名

      Journal of Physical Chemistry B

      巻: 120 号: 39 ページ: 10199-10213

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.6b06672

    • 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] A mixed quantum/classical approach for predicting amide vibrational bands of sphingomyelin bilayer2017

    • 著者名/発表者名
      Kiyoshi Yagi
    • 学会等名
      University of Strasbourg - RIKEN Workshop on Membrane Lipidology
    • 発表場所
      ストラスブルグ、フランス
    • 年月日
      2017-03-09
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] GENESISを用いたQM/MM計算生体分子の振動解析と反応経路探索2017

    • 著者名/発表者名
      八木清
    • 学会等名
      北大理論化学研究会:実践理論化学の最前線
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] GENESISへのQM/MM法の実装と酵素反応の反応経路探索2017

    • 著者名/発表者名
      八木清、杉田有治
    • 学会等名
      第11回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] QM/MM法に基づく非調和振動解析法の開発と生体分子への応用2017

    • 著者名/発表者名
      八木清、杉田有治
    • 学会等名
      第17回日本タンパク質科学会年会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Development of vibrational structure theory for biomolecules2017

    • 著者名/発表者名
      Kiyoshi Yagi
    • 学会等名
      International Symposium on "Studying the Function of Soft Molecular Systems"
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Hydrogen-bond structure of biological molecular recognition systems studied by gas-phase infrared spectroscopy and anharmonic vibrational calculations2017

    • 著者名/発表者名
      八木清、藤井正明
    • 学会等名
      日本化学会春季年会
    • 発表場所
      慶応大学日吉キャンパス(神奈川県横浜市)
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 生体分子系に対する振動状態理論の開発と応用2016

    • 著者名/発表者名
      八木清
    • 学会等名
      新学術領域「柔らかな分子系」第4回公開シンポジウム
    • 発表場所
      名古屋工業大学(愛知県名古屋市)
    • 年月日
      2016-10-27
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 非調和性を考慮した第1原理分子振動状態理論の開発と応用2016

    • 著者名/発表者名
      八木清
    • 学会等名
      第10回分子科学討論会
    • 発表場所
      神戸ファッションマート(兵庫県神戸市)
    • 年月日
      2016-09-13
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 生体分子系に対する振動状態理論の開発と応用2016

    • 著者名/発表者名
      八木清
    • 学会等名
      新学術領域「柔らかな分子系」第5回全体合宿
    • 発表場所
      ホテルベルナティオ(新潟県十日町)
    • 年月日
      2016-05-30
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] QM/MM法による生体分子の振動スペクトル計算法の開発と応用2016

    • 著者名/発表者名
      八木清
    • 学会等名
      「分子システム研究」第5回春合宿
    • 発表場所
      かんぽの宿熱海(静岡県熱海市)
    • 年月日
      2016-05-13
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Anharmonic Vibrational Structure Calculations of Protonated Water Clusters, H+(H2O)4, in Eigen and Zundel Forms2016

    • 著者名/発表者名
      Kiyoshi Yagi
    • 学会等名
      WRHI International Workshop on Advanced Laser Spectroscopy for Soft Molecular Systems
    • 発表場所
      東工大すずかけ台キャンパス(神奈川県横浜市)
    • 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] レプリカ交換分子動力学計算と非調和振動状態計算によるポリペプチドの構造決定2016

    • 著者名/発表者名
      八木清、大滝大樹
    • 学会等名
      HPCI第3回成果報告会
    • 発表場所
      コクヨホール(東京都港区)
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書

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公開日: 2016-04-26   更新日: 2018-12-17  

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