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2018 年度 実績報告書

光受容タンパク質の量子的分子動力学シミュレーションによる遍在プロトンの機能解明

研究課題

研究課題/領域番号 18H05264
研究機関早稲田大学

研究代表者

中井 浩巳  早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00243056)

研究分担者 高野 光則  早稲田大学, 理工学術院, 教授 (40313168)
研究期間 (年度) 2018-06-11 – 2023-03-31
キーワード光受容タンパク質 / 量子的分子動力学(QMD)法 / 遍在プロトン / バクテリオロドプシン(BR) / FoF1-ATP合成酵素 / 光活性イエロータンパク質(PYP) / GPUアクセラレータ / 励起状態
研究実績の概要

本研究課題では,理論およびプログラム開発に関する基礎テーマ(T1),(T2),基底状態が関与する応用テーマ(G1),(G2),(G3),励起状態が関与する応用テーマ(E1),(E2)を計画した.当初計画では,このうち2018年度には,(T1)GPUアクセラレータによる長時間シミュレーション手法の開発,(T2)大規模励起状態シミュレーション手法の開発,基底状態が関与する応用テーマ(G1)バクテリオロドプシン(BR)のプロトン移動ダイナミクス, (G3)FoF1-ATP合成酵素における機能発現ダイナミクスに着手することとなっていた.
(T1)では,4種類のGPU搭載ワークステーションを購入し,GPUアクセラレータに対応すべくDC-DFTB-MD法を改良し,それぞれの性能評価を行った.
(T2)では,大規模系に対する励起状態シミュレーションを可能にするため,時間依存型のDC-TDDFTB法を開発した.また,長距離補正作用にも適したDC-TDLCDFTB法を開発し,精度向上を図った.
(G1)では,実験的に提案されている5段階のプロトン移動のうちXFELによって観測されている初期3段階についてDC-DFTB-MD法により機構解明を目指した.1段階目に加えて、2019年度予定の3段階目に関しても検討し,いずれも水酸化物イオン(OH-)中間体を介する全く新しいプロトン移動機構を解明することができた.
(G3)では,解像度の低い電子顕微鏡構造(eLife, 2016; 解像度7 Å)を用いてFo部位の古典分子動力学(CMD)計算を実施し,膜の内側と外側を繋ぐような水チャネルが捉えられた.また,タンパク質分子間の静電相互作用に影響を与える水の誘電特性に関する研究を行った.

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

以下に示す各テーマの進捗状況から,「(2)おおむね順調に進捗している」と判断した.
(T1)では,前当初の研究計画通り,GPUアクセラレータに対応したDC-DFTB-MD法のアルゴリズム開発を行った.特に,次年度以降の本格的なシミュレーションでは,本計算手法に対して最高性能を示すGPUアクセラレータを使用したいと考えた.そこで,4種類のGPUアクセラレータを導入し,それぞれの性能を評価した.また,当初の研究計画にはなかったが,DC-DFTB-MD計算のためのプログラムDCDFTBMDを公開し,世界各国で利用できるようにした.これにより,今後幅広い関連分野に波及効果をもたらすことが期待される.(T2)では,当初の研究計画通り,DC-DFTB-MD法の励起状態への拡張ならび精度改善を行った.
(G1)では,BRの1段階目と3段階目のプロトン移動を対象としたDC-DFTB-MD計算を実行し,全く予見していなかった新たな反応機構を見出すことに成功した.(G3)では,GPUアクセラレータの導入が遅れたものの,Fo部位に対するCMD計算より,膜の内側と外側を繋ぐような水チャネルが捉えることができた.また,当初予定していなかった水の誘電特性に関する研究も行い,本テーマの機構解明に対する基礎的な知見を得た.

今後の研究の推進方策

これまでの進捗・成果・問題点を考慮した結果,本研究は順調に進展していると判断できた.したがって,2019年度以降も当初の研究計画通り各テーマを遂行する
(T1)では,2018年度の評価結果に基づいて最適なGPUアクセラレータを追加導入する.そして,本格実施に向けてDC-DFTB-MD法のさらなる高速化・高機能化を図る.(T2)では,2018年度に開発した大規模励起状態シミュレーション手法DC-TDDFTB-MD法をGPUアクセラレータによる高速化を図る.
(G1)では,当初の研究計画より前倒しで2段階目のプロトン移動の解析に着手する.また,2018年度までの結果をまとめ上げ,トップジャーナルへの投稿を目指す.2019年度より,(G2)の「イオン輸送機能を持つ微生物型ロドプシンにおけるプロトン移動ダイナミクス」に関する研究テーマを開始する.その際,(G3)におけるCMD計算,(G1)におけるQMD計算のノウハウを活用する.(G3)に関して,2019年にこれまで用いていた電子顕微鏡構造(eLife, 2016; 解像度7 Å)より解像度が格段に高い結果が発表された(eLife, 2019; 解像度3 Å).そこで,この新しい構造をもとにFo部位のCMD計算をやり直し,より確かな水チャネルを得ることにより,プロトン移動の機構を解明する.
2019年度より,(E1)の「光活性イエロータンパク質における光異性化ダイナミクス」に関する研究テーマを開始する.その際,(T2)で開発した励起状態計算手法DC-TDDFTBを活用する.

備考

DCDFBMDプログラムの公開

  • 研究成果

    (44件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 雑誌論文 (10件) (うち査読あり 10件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (33件) (うち国際学会 8件、 招待講演 9件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] D cdftbmd : Divide‐and‐Conquer Density Functional Tight‐Binding Program for Huge‐System Quantum Mechanical Molecular Dynamics Simulations2019

    • 著者名/発表者名
      Nishimura Yoshifumi、Nakai Hiromi
    • 雑誌名

      Journal of Computational Chemistry

      巻: 40 ページ: 1538~1549

    • DOI

      10.1002/jcc.25804

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of Large-Scale Excited-State Calculations Based on the Divide-and-Conquer Time-Dependent Density Functional Tight-Binding Method2019

    • 著者名/発表者名
      Komoto Nana、Yoshikawa Takeshi、Ono Junichi、Nishimura Yoshifumi、Nakai Hiromi
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Theory and Computation

      巻: 15 ページ: 1719~1727

    • DOI

      10.1021/acs.jctc.8b01214

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Unveiling Controlling Factors of the S0/S1 Minimum Energy Conical Intersection: A Theoretical Study2018

    • 著者名/発表者名
      Nakai Hiromi、Inamori Mayu、Ikabata Yasuhiro、Wang Qi
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry A

      巻: 122 ページ: 8905~8910

    • DOI

      10.1021/acs.jpca.8b07864

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Fractional-occupation-number based divide-and-conquer coupled-cluster theory2018

    • 著者名/発表者名
      Yoshikawa Takeshi、Nakai Hiromi
    • 雑誌名

      Chemical Physics Letters

      巻: 712 ページ: 184~189

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2018.09.056

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of the Divide-and-Conquer Based Single Reference Theory for Static Correlation Systems with Finite Temperature Scheme2018

    • 著者名/発表者名
      DOI Toshiki、YOSHIKAWA Takeshi、NAKAI Hiromi
    • 雑誌名

      Journal of Computer Chemistry, Japan

      巻: 17 ページ: 212~214

    • DOI

      10.2477/jccj.2018-0057

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Release of DCDFTBMD Program2018

    • 著者名/発表者名
      NISHIMURA Yoshifumi、YOSHIKAWA Takeshi、NAKAI Hiromi
    • 雑誌名

      Journal of Computer Chemistry, Japan

      巻: 17 ページ: A21~A27

    • DOI

      10.2477/jccj.2018-0052

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Development of Divide‐and‐Conquer Density‐Functional Tight‐Binding Method for Theoretical Research on Li‐Ion Battery2018

    • 著者名/発表者名
      Chou Chien‐Pin、Sakti Aditya Wibawa、Nishimura Yoshifumi、Nakai Hiromi
    • 雑誌名

      The Chemical Record

      巻: 19 ページ: 746~757

    • DOI

      10.1002/tcr.201800141

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of the Divide-and-Conquer Time-Dependent Density Functional Tight-Binding Method for Photoreceptor Protein2018

    • 著者名/発表者名
      KOMOTO Nana、YOSHIKAWA Takeshi、ONO Junichi、NAKAI Hiromi
    • 雑誌名

      Journal of Computer Chemistry, Japan

      巻: 17 ページ: 127~129

    • DOI

      10.2477/jccj.2018-0032

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Theoretical Study on the Intersection Structures between Potential Energy Surfaces2018

    • 著者名/発表者名
      INAMORI Mayu、IKABATA Yasuhiro、WANG Qi、NAKAI Hiromi
    • 雑誌名

      Journal of Computer Chemistry, Japan

      巻: 17 ページ: 124~126

    • DOI

      10.2477/jccj.2018-0021

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Hydrophobic Surface Enhances Electrostatic Interaction in Water2018

    • 著者名/発表者名
      Sato Takato、Sasaki Tohru、Ohnuki Jun、Umezawa Koji、Takano Mitsunori
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 121 ページ: 206002-1~5

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.121.206002

    • 査読あり
  • [学会発表] Development of Automatized Density-Functional Tight-Binding Parameterization2019

    • 著者名/発表者名
      Chien-Pin Chou
    • 学会等名
      CJK-WTCC-IV
    • 国際学会
  • [学会発表] データ科学と理論・計算化学の融合2019

    • 著者名/発表者名
      中井浩巳
    • 学会等名
      日本化学会 第99春季年会
    • 招待講演
  • [学会発表] 大規模単参照型静的相関手法の開発2019

    • 著者名/発表者名
      土井俊輝、吉川武司、中井浩巳
    • 学会等名
      日本化学会 第99春季年会
  • [学会発表] Acceleration of divide-and-conquer density tight-binding method on GPU2019

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Yoshikawa, Hiromi Nakai
    • 学会等名
      GTC2019
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 重み付きヒストグラム解析法のメタダイナミクスへの拡張とシクロファン異性化反応への応用2018

    • 著者名/発表者名
      小野純一,西村好史,黄毅聰,鹿又宣弘,中井浩巳
    • 学会等名
      第21回理論化学討論会
  • [学会発表] 分割統治型時間依存密度汎関数強束縛法に基づく大規模励起状態ダイナミクス2018

    • 著者名/発表者名
      河本奈々,吉川武司,小野純一,中井浩巳
    • 学会等名
      第21回理論化学討論会
  • [学会発表] 有限温度における時間依存密度汎関数法の開発2018

    • 著者名/発表者名
      土井俊輝,吉川武司,中井浩巳
    • 学会等名
      第21回理論化学討論会
  • [学会発表] 円錐交差構造における電子状態に関する理論的研究2018

    • 著者名/発表者名
      稲森真由, 五十幡康弘, 王祺, 中井浩巳
    • 学会等名
      第21回理論化学討論会
  • [学会発表] Artificial Intelligence for Quantum Chemistry2018

    • 著者名/発表者名
      Hiromi Nakai
    • 学会等名
      7th JCS symposium 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] Fast Quantum Chemical Simulations using the Density-Functional Tight-Binding Method2018

    • 著者名/発表者名
      Chien-Pin Chou
    • 学会等名
      The 2018 Chemistry Research Symposium, ChRS2018
    • 国際学会
  • [学会発表] メタダイナミクスに基づく重み付きヒストグラム解析法の開発とシクロファン異性化反応への応用2018

    • 著者名/発表者名
      小野純一,西村好史,黄毅聰,鹿又宣弘,中井浩巳
    • 学会等名
      日本コンピュータ化学会2018春季年会
  • [学会発表] 光受容タンパク質の機構解明に向けた分割統治型時間依存密度汎関数強束縛法の開発2018

    • 著者名/発表者名
      河本奈々,吉川武司,小野純一,中井浩巳
    • 学会等名
      日本コンピュータ化学会2018春季年会
  • [学会発表] ポテンシャルエネルギー曲面の交差構造に関する理論的研究2018

    • 著者名/発表者名
      稲森真由, 五十幡康弘, 王祺, 中井浩巳
    • 学会等名
      日本コンピュータ化学会2018春季年会
  • [学会発表] 大規模化学反応シミュレーション手法の実現に向けて ~分割統治型密度汎関数強束縛分子動力学(DC-DFTB-MD)法の開発と応用~2018

    • 著者名/発表者名
      中井 浩巳
    • 学会等名
      東工大講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] What is the Best Choice of Embedding-Fragmentation Scheme for Practical Quantum Chemical Simulation?2018

    • 著者名/発表者名
      Hiromi Nakai
    • 学会等名
      16th International Congress of Quantum Chemistry (16-ICQC)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Development of picture-change corrected relativistic density functional theory2018

    • 著者名/発表者名
      Yasuhiro Ikabata, Takuro Oyama, Masao Hayami, Junji Seino, Hiromi Nakai
    • 学会等名
      16th International Congress of Quantum Chemistry (16-ICQC)
    • 国際学会
  • [学会発表] Divide-and-conquer-based higher-order electron-correlation methods2018

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Yoshikawa, Hiromi Nakai
    • 学会等名
      16th International Congress of Quantum Chemistry (16-ICQC)
    • 国際学会
  • [学会発表] 光受容タンパク質の機能解明を目指した大規模励起状態ダイナミクス手法の開発とその応用2018

    • 著者名/発表者名
      吉川武司
    • 学会等名
      第7回新化学技術研究奨励賞
    • 招待講演
  • [学会発表] Divide-and-Conquer density-functional tight-binding molecular dynamics simulations for the primary proton transfer in bacteriorhodopsin2018

    • 著者名/発表者名
      Junichi Ono
    • 学会等名
      Telluride workshop on "Multi-scale quantum mechanical analysis of condensed phase systems: methods and applications"
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 人工知能を用いた化学反応の予測と反応条件の最適化2018

    • 著者名/発表者名
      清野淳司
    • 学会等名
      技術情報協会・講習会 触媒開発における人工知能、計算科学の活用-新しい触媒の探索、設計の具体的手法-
    • 招待講演
  • [学会発表] 密度汎関数強束縛法に基づくペロブスカイト太陽電池におけるキャリア特性の研究2018

    • 著者名/発表者名
      浦谷浩輝, 周建斌, 中井浩巳
    • 学会等名
      分子科学討論会
  • [学会発表] Large-scale quantum-mechanical molecular dynamics simulations for the primary proton transfer in bacteriorhodopsin2018

    • 著者名/発表者名
      Junichi Ono, Minori Imai, Yoshifumi Nishimura, Hiromi Nakai
    • 学会等名
      第56回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] Development of large-scale excited-state calculation method and applied research on photoactive yellow protein2018

    • 著者名/発表者名
      Nana Komoto, Takeshi Yoshikawa, Junichi Ono, Hiromi Nakai
    • 学会等名
      第56回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] バクテリオロドプシンのプロトン輸送ダイナミクスに関する理論的研究2018

    • 著者名/発表者名
      小野純一,今井みの莉,西村好史,中井浩巳
    • 学会等名
      第5回「京」を中核とするHPCIシステム利用研究課題 成果報告会
  • [学会発表] DC-DFTB-MDプログラムの公開2018

    • 著者名/発表者名
      中井浩巳、西村好史、吉川武司
    • 学会等名
      日本コンピュータ化学会2018秋季年会
  • [学会発表] 分割統治法に基づく有限温度型単参照静的相関手法の開発2018

    • 著者名/発表者名
      土井俊輝、吉川武司、中井浩巳
    • 学会等名
      日本コンピュータ化学会2018秋季年会
  • [学会発表] 計算化学とインフォマティクスに関する基礎講座2018

    • 著者名/発表者名
      中井 浩巳
    • 学会等名
      顔料物性講座
    • 招待講演
  • [学会発表] 表面触媒反応に対する大規模シミュレーション2018

    • 著者名/発表者名
      中井 浩巳
    • 学会等名
      2018年日本表面真空学会学術講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] バクテリオロドプシンの1段階目のプロトン移動過程に対するDC-DFTB-MDシミュレーション2018

    • 著者名/発表者名
      小野 純一,今井 みの莉,西村 好史,中井 浩巳
    • 学会等名
      第32回分子シミュレーション討論会
  • [学会発表] DC-DFTB-MDプログラムの開発と公開2018

    • 著者名/発表者名
      西村 好史,吉川 武司,中井 浩巳
    • 学会等名
      第32回分子シミュレーション討論会
  • [学会発表] Density-Functional Tight-Binding Parameterization: Accumulated Wisdom and New Directions2018

    • 著者名/発表者名
      周建斌,中井 浩巳
    • 学会等名
      第32回分子シミュレーション討論会
  • [学会発表] Density-Functional Tight-Binding Metadynamics Study of Carbonaceous Species Diffusion on (100)-γ-Al2O3 Surface2018

    • 著者名/発表者名
      Aditya Wibawa Sakti, Chien-Pin Chou, Yoshifumi Nishimura, Hiromi Nakai
    • 学会等名
      第32回分子シミュレーション討論会
  • [学会発表] バクテリオロドプシンの長距離プロトン移動過程に対するDC-DFTB-MDシミュレーション2018

    • 著者名/発表者名
      岡田 千果,小野 純一,西村 好史,中井 浩巳
    • 学会等名
      第32回分子シミュレーション討論会
  • [備考] DCDFTBMD

    • URL

      http://www.chem.waseda.ac.jp/dcdftbmd/

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公開日: 2021-01-27  

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