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ソフトマターを対象とした液体論的マルチスケール解析手法の開発とその応用

公募研究

研究領域非平衡ソフトマター物理学の創成に関する総括研究
研究課題/領域番号 21015012
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, 大学院・工学研究科, 助教 (40345955)

研究期間 (年度) 2009 – 2010
研究課題ステータス 完了 (2010年度)
配分額 *注記
3,300千円 (直接経費: 3,300千円)
2010年度: 1,700千円 (直接経費: 1,700千円)
2009年度: 1,600千円 (直接経費: 1,600千円)
キーワード蛋白質 / 高圧変性 / マルチスケールシミュレーション / 圧縮率 / 疎水性相互作用 / 過冷却水 / 液-液相転移 / 水素結合ネットワーク / 蛋白 / 変性 / dewetting / 界面自由エネルギー / 界面誘起高密度水和層
研究概要

本研究では,液体の密度汎関数理論(DFT)に基づくマルチスケールシミュレーション法の,高分子-水溶液系への適用において必要な自由エネルギー汎関数を開発と,1.蛋白質の高圧変性機構の解析,2.過冷却水中での液-液相転移近傍での疎水性高分子挙動の解析への応用を行った.
1.蛋白質の高圧変性機構
蛋白質の高圧変性は古くから知られているにも関わらず,その分子機構は現在も論争中の問題である.本研究では,水の水素結合ネットワークによる寄与を考慮した自由エネルギー汎関数に基づくマルチスケールシミュレーション法を水中での疎水性高分子鎖に適用し,圧力上昇に伴うunfolding転移および負の体積変化ΔVの再現に成功した.Unfoldingに伴うギブスの自由エネルギー変化ΔGの圧力依存性が非線形である事から,水和水の圧縮率変化が重要な役割を果たしている事を示した.さらに,ΔVの圧力依存性(ΔGの非線形性)は,unfoldingにおける露出用面積の増大に伴う周期が短く隙間の少ない高密度水和層の形成に帰着し,表面誘起の水素結合ネットワークの破壊に起因した水和特性である事を示した.
2.過冷却水中での液-液相転移近傍での疎水性水和物性
水の4℃での密度極大や温度低下に伴う疎水性物質の溶解度の増加等は,過冷却領域において存在する可能性が示唆されている水の液-液相転移による影響ではないかと指摘されている.そこで本研究では,水4000分子によるバルク水の分子動力学シミュレーションを実行し,過冷却水の液-液相転移の相図を完成させると共に,過冷却水中での疎水性高分子鎖のマルチスケールシミュレーションを実行し,その水和物性の解析を行った.高圧下での高密度液体(HDL)側への冷却では,顕著な変化は見られなかったが,低密度液体(LDL)側への冷却では,高分子鎖のunfolding転移が観測された.このLDL側でのunfolding転移は,高分子表面によって誘起される周期が長くて密度の高い安定なネットワークを有する低エントロピー水和殻の形成に起因する事が明らかと成った.

報告書

(2件)
  • 2010 実績報告書
  • 2009 実績報告書
  • 研究成果

    (22件)

すべて 2011 2010 2009

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (18件)

  • [雑誌論文] Possible mechanism underlying high-pressure unfolding of proteins : formation of a short-period high-density hydration shell2011

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

      Phys.Chem.Chem.Phys.

      巻: 13 ページ: 15829-15832

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Erratum : "Dewetting-induced globule-coil transitions of model polymers and possible implications high-temperature and low-pressure unfolding of proteins" [J.Chem.Phys.132, 165101 (2010)]2010

    • 著者名/発表者名
      Tomonari Sumi, Nobuyuki Imazaki, Hideo Sekino
    • 雑誌名

      J.Chem.Phys.

      巻: 132

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Hydrophobic effects on multivalent-salt-induced self-condensation of DNA2009

    • 著者名/発表者名
      Tomonari Sumi, Chiaki Suzuki, Hideo Sekino
    • 雑誌名

      J.Chem.Phys. 131

    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dewetting-induced globule-coil transitions of model polymers and possible implications high-temperature and low-pressure unfolding of proteins2009

    • 著者名/発表者名
      Tomonari Sumi, Nobuyuki Imazaki, Hideo Sekino
    • 雑誌名

      J.Chem.Phys. 132

    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Possible mechanism underlying high-pressure unfolding of proteins : Formation of short-period high-density hydration shell2011

    • 著者名/発表者名
      Tomonari Sumi, Hideo Sekino
    • 学会等名
      International Symposium on Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions
    • 発表場所
      Okazaki (Japan)
    • 年月日
      2011-03-28
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] 過冷却水の拡散係数:温度および圧力依存性2011

    • 著者名/発表者名
      墨智成, 関野秀男
    • 学会等名
      日本物理学会2011年次大会
    • 発表場所
      新潟大学
    • 年月日
      2011-03-28
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] バイオ・ソフトマターにおける水の溶媒効果に関する研究2011

    • 著者名/発表者名
      墨智成, 関野秀男
    • 学会等名
      第5回領域研究会
    • 発表場所
      東京大学
    • 年月日
      2011-01-06
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Multivalent-salt-induced hydrophobic effects on self-condensation of highly charged polyelectrolyte chain2010

    • 著者名/発表者名
      Tomonari Sumi, Chiaki Suzuki, Hideo Sekino
    • 学会等名
      IUPAC 6^<th> International Symposium on Novel Materials and Synthesis (NMS-VI) & 20<th> International Symposium on Fine Chemistry and Functional Polymers (FCFP-XX)
    • 発表場所
      Wuhan (China)
    • 年月日
      2010-10-14
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] 過冷却水中での溶媒和:液-液転移の影響2010

    • 著者名/発表者名
      墨智成, 関野秀男
    • 学会等名
      日本物理学会2010秋季大会
    • 発表場所
      大阪府立大学
    • 年月日
      2010-09-24
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] 過冷却水中の液-液転移近傍での溶媒和現象2010

    • 著者名/発表者名
      墨智成, 関野秀男
    • 学会等名
      第4回分子科学討論会
    • 発表場所
      大阪大学
    • 年月日
      2010-09-15
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] A mechanism of pressure-induced unfolding of proteins : a formation of interfacial high-density hydration shell2010

    • 著者名/発表者名
      Tomonari Sumi, Hideo Sekino
    • 学会等名
      International Symposium on Non-Equilibrium Soft Matter 2010
    • 発表場所
      Nara (Japan)
    • 年月日
      2010-08-18
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] A possible mechanism of high-pressure unfolding of proteins : Formation of high-density hydration shell2010

    • 著者名/発表者名
      Tomonari Sumi, Hideo Sekino
    • 学会等名
      4th Mini-symposium on liquids (MSL4, 2010)
    • 発表場所
      Fukuoka (Japan)
    • 年月日
      2010-06-26
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] A mechanism of high-pressure unfolding of proteins : a formation of interfacial high-density hydration shell2010

    • 著者名/発表者名
      Tomonari Sumi, Hideo Sekino
    • 学会等名
      8^<th> Liblice Conference on the Statistical Mechanics of Liquids
    • 発表場所
      Brno (Czech)
    • 年月日
      2010-06-16
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] 水の物性に着目した蛋白質の変性機構2010

    • 著者名/発表者名
      墨智成
    • 学会等名
      第23期CAMMフォーラム本例会
    • 発表場所
      表参道「アイビーホール」(東京)
    • 年月日
      2010-06-04
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] オスモライトによる蛋白質の変性メカニズム:添加物分子の水への親和性の重要性2010

    • 著者名/発表者名
      墨智成
    • 学会等名
      第65回日本物理学会年次大会
    • 発表場所
      岡山大学
    • 年月日
      2010-03-21
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] 疎水性高分子鎖をプローブ分子として用いた蛋白質の高圧変性機構の解析:表面誘起高密度水和層の形成2010

    • 著者名/発表者名
      墨智成, 関野秀男
    • 学会等名
      日本物理学会20010年次大会
    • 発表場所
      岡山大学
    • 年月日
      2010-03-21
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] 蛋白質の高圧変性機構:水素結合ネットワークの断絶による高密度水和層の形成2010

    • 著者名/発表者名
      墨智成, 関野秀男
    • 学会等名
      次世代ナノ統合シミュレーションソフトウェアの研究開発第4回公開シンポジウム
    • 発表場所
      岡崎コンファレンスセンター
    • 年月日
      2010-03-04
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] 疎水性高分子鎖をプロープ分子として用いた蛋白質の高圧変性メカニズムの解析2009

    • 著者名/発表者名
      墨智成, 関野秀男
    • 学会等名
      第23回分子シミュレーション討論会
    • 発表場所
      名古屋
    • 年月日
      2009-12-01
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] オスモライトによるタンパク質の変性:粗視化分子モデルによる解析2009

    • 著者名/発表者名
      墨智成, 関野秀男
    • 学会等名
      日本物理学会2009秋季大会
    • 発表場所
      熊本大学
    • 年月日
      2009-09-27
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] オスモライトによるタンパク質の変性機構:過剰溶媒和vs.脱水和2009

    • 著者名/発表者名
      墨智成, 関野秀男
    • 学会等名
      第3回分子科学討論会
    • 発表場所
      名古屋大学
    • 年月日
      2009-09-23
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] Protein unfolding induced by Osmolytes : preferential solvation vs. Dehydration2009

    • 著者名/発表者名
      Tomonari Sumi, Hideo Sekino
    • 学会等名
      Gordon Research Conferences 2009 : Liquids, Chemistry & Physics of
    • 発表場所
      New Hampshire (USA)
    • 年月日
      2009-08-01
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] A thermodynamic analysis of osmolyte-induced protein unfolding2009

    • 著者名/発表者名
      Tomonari Sumi, Hideo Sekino
    • 学会等名
      The third Mini-Symposium on Liquids (MSL)
    • 発表場所
      Okayama
    • 年月日
      2009-06-20
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書

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公開日: 2009-04-01   更新日: 2018-03-28  

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