| 研究課題/領域番号 |
16K17856
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| 研究機関 | 広島市立大学 |
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研究代表者 |
齋藤 徹 広島市立大学, 情報科学研究科, 助教 (80747494)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 半経験的分子軌道法 / 開殻分子 / 金属酵素 / QM/MM MD |
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| 研究実績の概要 |
金属酵素のように大規模かつ活性部位の軌道が擬縮退した複雑な電子状態を有する分子（以下、開殻分子とする）が触媒する化学反応を理論計算を用いて解明することを目指している。このような問題に対しては、反応中心を量子化学（QM）計算、周囲の場を分子力学（MM）計算で扱うQM/MM法と分子動力学（MD）法を組み合わせたQM/MM MD計算が必要となる。本研究では計算のボトルネックとなるQM計算のコストを削減することを目的とし、半経験的分子軌道法（PM6）の改良を行ってきた（以下、rPM6法とする）。初年度までの成果では基本的な有機分子のみに適用可能であったが、当該年度はマンガン、鉄のパラメータの修正を行うことで、主要な金属酵素活性部位やその模倣錯体への適用を可能とした。
今年度はとりわけこれらが触媒する酸化反応の反応機構を解明するために必須となる遷移状態(TS)探索に重点をおいて研究を進めてきた。既存のPM6は、実験や通常の量子化学計算とは異なる誤った電子状態、反応経路を与えてしまう。開殻分子を想定して設計されていないためである。一方、我々のrPM6は一部の例外を除く全ての場合においてTS構造を求めることができた。加えて得られたTS構造と反応に関わる分子軌道は密度汎関数理論（DFT）の結果を良く再現した。このように金属タンパク質の活性部位に対するrPM6計算自体の結果も良好であり、QM/MM MDシミュレーションのQM部分として問題なく使用できることも示すことができた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
研究実績の概要で述べたように、パラメータの改良により、シトクロムP450やメタンモノオキシゲナーゼといった金属酵素の活性部位にも適用可能とした。構造パラメータに関する計算精度も良好であり、これまで半経験的手法で求めることが困難であった遷移状態探索も問題なく実行できることを示すことができた。これらの成果は学術論文誌、国内学会、国際学会等で報告済であり、また現在学術論文誌に投稿中である。ハロゲン（F, Cl）及び金属元素（マンガン、鉄、ルテニウム）のパラメータを設計することで有機金属錯体の反応経路探索にも有用であることを示すことができた(学術論文誌投稿準備中)。特にマンガン、鉄のパラメータ設計は本研究課題のボトルネックと考えており、順調な進捗状況にあると言える。
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| 今後の研究の推進方策 |
修正したパラメータを用いてQM/MM MD計算を実行する。計算に必要なソフトウェアは揃っており、独自のインターフェイスプログラムも有している。したがってターゲットとしている金属酵素のシミュレーション自体は問題なく着手できると考えている。またニッケル等他の元素のパラメータも設計することで生体模倣錯体の配位子のデザインにも貢献したいと考えている。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
論文のオープンアクセス化のための費用として十分な金額を確保していたが、年度内中に論文が受理されなかった。同様の用途で次年度に使用する。
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