生命の起源物質生成の計算機シミュレーション：アミノ酸・核酸とその重合化

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18K03825
• 研究機関: 神戸大学
• 研究代表者: 田中 成典 神戸大学, システム情報学研究科, 教授 (10379480)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 生命の起源 / 第一原理シミュレーション / 分子動力学法 / 密度汎関数法 / 化学反応 / 硫化鉄

研究実績の概要

我々は、原始地球でタンパク質や核酸などの生命分子がどのように形成されたか、また、そこから生命系がどのように誕生したかを探る理論ならびに計算機シミュレーション研究を行っている。これまでに、大量の隕石の飛来がもたらした衝撃波のエネルギーによって非還元的小分子（水、窒素、二酸化炭素など）から還元的分子（アンモニア、メタンなど）やアミノ酸・核酸・糖などが生成されたとする仮説に基づき、主に第一原理量子力学的動力学シミュレーションにより、隕石に含まれる鉄を触媒として、高温高圧下でアンモニアや各種炭素化合物の生成が確認され、仮説を裏付ける計算結果が得られた。また、化合物生成に至る様々な反応メカニズム・反応経路について詳細に議論し、論文報告した。ところで、現在の生命起源論においては海底の熱水噴出孔が注目されており、そこでは反応を促進する上で、鉄イオウクラスターの果たす役割が重要であると考えられている。そこで、我々はまず、硫化鉄の触媒作用に着目した化学反応シミュレーションを試みたが、その検証のために計算の高速化が必要となった。そのため、第一原理手法である密度汎関数法に経験的パラメータを組み込み計算の精度維持と高速化を可能にする、強結合近似に基づく密度汎関数法（DFTB）に着目し、その開発を進めた。DFTBパラメータには、硫化鉄のシミュレーションに必要なFe-S間のパラメータが報告されていないため、その開発を行い、Pyrite 構造に対して、格子定数、体積弾性率、定積熱容量などの実験値の再現が可能となった。これらの成果を踏まえ、硫化鉄を触媒とする生命分子生成シミュレーションに加え、反応シミュレーションをさらに高速化するための機械学習ポテンシャルの作成や、熱水噴出孔を想定した化学反応ネットワークのデータベースに基づく再構成などにも取り組み、新たな成果を得た。

研究成果

• [国際共同研究] キール大学(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: キール大学
• [雑誌論文] Non-equilibrium Quantum Brain Dynamics II: Formulation in 3+1 dimensions (2021)
  • 著者名/発表者名: Nishiyama Akihiro、Tanaka Shigenori、Tuszynski Jack A.
  • 雑誌名: Physica A: Statistical Mechanics and its Applications 巻: 567 ページ: 125706～125706
  • DOI: 10.1016/j.physa.2020.125706
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Reaction Pathway Sampling and Free-Energy Analyses for Multimeric Protein Complex Disassembly by Employing Hybrid Configuration Bias Monte Carlo/Molecular Dynamics Simulation (2021)
  • 著者名/発表者名: Kurisaki Ikuo、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: ACS Omega 巻: 6 ページ: 4749～4758
  • DOI: 10.1021/acsomega.0c05579
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] FMODB: The World’s First Database of Quantum Mechanical Calculations for Biomacromolecules Based on the Fragment Molecular Orbital Method (2021)
  • 著者名/発表者名: Takaya Daisuke、Watanabe Chiduru、Nagase Shunpei、Kamisaka Kikuko、Okiyama Yoshio、Moriwaki Hirotomo、Yuki Hitomi、Sato Tomohiro、Kurita Noriyuki、Yagi Yoichiro、Takagi Tatsuya、Kawashita Norihito、Takaba Kenichiro、Ozawa Tomonaga、Takimoto-Kamimura Midori、Tanaka Shigenori、Fukuzawa Kaori、Honma Teruki
  • 雑誌名: Journal of Chemical Information and Modeling 巻: 61 ページ: 777～794
  • DOI: 10.1021/acs.jcim.0c01062
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interaction analyses of SARS-CoV-2 spike protein based on fragment molecular orbital calculations (2021)
  • 著者名/発表者名: Akisawa Kazuki、Hatada Ryo、Okuwaki Koji、Mochizuki Yuji、Fukuzawa Kaori、Komeiji Yuto、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 11 ページ: 3272～3279
  • DOI: 10.1039/d0ra09555a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Statistical interaction analyses between SARS-CoV-2 main protease and inhibitor N3 by combining molecular dynamics simulation and fragment molecular orbital calculation (2021)
  • 著者名/発表者名: Hatada Ryo、Okuwaki Koji、Akisawa Kazuki、Mochizuki Yuji、Handa Yuma、Fukuzawa Kaori、Komeiji Yuto、Okiyama Yoshio、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 14 ページ: 027003～027003
  • DOI: 10.35848/1882-0786/abdac6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Appearance of Thermal Time (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: Foundations of Physics 巻: 51 ページ: 34～34
  • DOI: 10.1007/s10701-021-00445-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Molecular recognition of SARS-CoV-2 spike glycoprotein: quantum chemical hot spot and epitope analyses (2021)
  • 著者名/発表者名: Watanabe Chiduru、Okiyama Yoshio、Tanaka Shigenori、Fukuzawa Kaori、Honma Teruki
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 12 ページ: 4722～4739
  • DOI: 10.1039/D0SC06528E
  • 査読あり
• [雑誌論文] Non-Equilibrium Quantum Electrodynamics in Open Systems as a Realizable Representation of Quantum Field Theory of the Brain (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishiyama Akihiro、Tanaka Shigenori、Tuszynski Jack A.
  • 雑誌名: Entropy 巻: 22 ページ: 43～43
  • DOI: 10.3390/e22010043
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Strongly coupled electron liquid: Ab initio path integral Monte Carlo simulations and dielectric theories (2020)
  • 著者名/発表者名: Dornheim Tobias、Sjostrom Travis、Tanaka Shigenori、Vorberger Jan
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 ページ: 045129～045129
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.101.045129
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] New Modified Deoxythymine with Dibranched Tetraethylene Glycol Stabilizes G-Quadruplex Structures (2020)
  • 著者名/発表者名: Tateishi-Karimata Hisae、Ohyama Tatsuya、Muraoka Takahiro、Tanaka Shigenori、Kinbara Kazushi、Sugimoto Naoki
  • 雑誌名: Molecules 巻: 25 ページ: 705～705
  • DOI: 10.3390/molecules25030705
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Nanoscale Quantum Thermal Conductance at Water Interface: Green’s Function Approach Based on One-Dimensional Phonon Model (2020)
  • 著者名/発表者名: Umegaki Toshihito、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: Molecules 巻: 25 ページ: 1185～1185
  • DOI: 10.3390/molecules25051185
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Comparative study on model parameter evaluations for the energy transfer dynamics in Fenna?Matthews?Olson complex (2020)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Yosuke、Watanabe Hirofumi、Okiyama Yoshio、Ebina Kuniyoshi、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: Chemical Physics 巻: 539 ページ: 110903～110903
  • DOI: 10.1016/j.chemphys.2020.110903
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fragment Molecular Orbital Based Interaction Analyses on COVID-19 Main Protease ? Inhibitor N3 Complex (PDB ID: 6LU7) (2020)
  • 著者名/発表者名: Hatada Ryo、Okuwaki Koji、Mochizuki Yuji、Handa Yuma、Fukuzawa Kaori、Komeiji Yuto、Okiyama Yoshio、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: Journal of Chemical Information and Modeling 巻: 60 ページ: 3593～3602
  • DOI: 10.1021/acs.jcim.0c00283
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Identification of correlated inter-residue interactions in protein complex based on the fragment molecular orbital method (2020)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Shigenori、Watanabe Chiduru、Honma Teruki、Fukuzawa Kaori、Ohishi Kazue、Maruyama Tadashi
  • 雑誌名: Journal of Molecular Graphics and Modelling 巻: 100 ページ: 107650～107650
  • DOI: 10.1016/j.jmgm.2020.107650
  • 査読あり
• [雑誌論文] Temperature relaxation in binary hard-sphere mixture system: Molecular dynamics and kinetic theory study (2020)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Shigenori、Shimamura Kohei
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 153 ページ: 034114～034114
  • DOI: 10.1063/5.0011181
  • 査読あり
• [雑誌論文] Machine learning prediction of inter-fragment interaction energies between ligand and amino-acid residues on the fragment molecular orbital calculations for Janus kinase ? inhibitor complex (2020)
  • 著者名/発表者名: Tokutomi Shusuke、Shimamura Kohei、Fukuzawa Kaori、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 757 ページ: 137883～137883
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2020.137883
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effective Static Approximation: A Fast and Reliable Tool for Warm-Dense Matter Theory (2020)
  • 著者名/発表者名: Dornheim Tobias、Cangi Attila、Ramakrishna Kushal、B?hme Maximilian、Tanaka Shigenori、Vorberger Jan
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 125 ページ: 235001～235001
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.235001
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Fragment Molecular Orbital Calculations for SARS-CoV-2 Proteins (2021)
  • 著者名/発表者名: Shigenori Tanaka
  • 学会等名: The 3rd R-CCS International Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ナノ空間での熱伝導・温度緩和：温度生物学の基礎として (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中成典
  • 学会等名: Biothermology Workshop 2020
  • 招待講演
• [図書] Recent Advances of the Fragment Molecular Orbital Method: Enhanced Performance and Applicability (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Mochizuki, S. Tanaka, K. Fukuzawa
  • 総ページ数: 616
  • 出版者: Springer
• [図書] Entropy-Enthalpy Compensation: Finding a Methodological Common Denominator through Probability, Statistics, and Physics (2021)
  • 著者名/発表者名: E. B. Starikov, B. Norden, S. Tanaka
  • 総ページ数: 398
  • 出版者: Jenny Stanford Publishing
• [備考] 神戸大学田中研究室ホームページ
  • URL: http://eniac.scitec.kobe-u.ac.jp/tanaka/