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2020 年度 実績報告書

タンパク質の異常な拡散係数変化から問われる流体力学半径の意味

研究課題

研究課題/領域番号 19H01863
研究機関九州大学

研究代表者

秋山 良  九州大学, 理学研究院, 准教授 (60363347)

研究分担者 寺嶋 正秀  京都大学, 理学研究科, 教授 (00188674)
徳永 健  工学院大学, 教育推進機構(公私立大学の部局等), 教授 (30467873)
吉森 明  新潟大学, 自然科学系, 教授 (90260588)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2023-03-31
キーワード拡散係数 / タンパク質 / 構造変化 / 流体力学効果 / 溶媒和 / 分子動力学シミュレーション / 統計力学理論 / 揺動散逸定理
研究実績の概要

主目的は、タンパク質の拡散係数と水和状態の関係を解明することである。この事を計算面で確認し、理論的に解明することが主目的である。その応用として、拡散係数変化を機能部位変化と関係づけることを目指している。
『タンパク質分子の構造変化と拡散係数の大変化に対する計算科学的確認』を行うという目標は、前提部分は概ね解決できた。計算手法(基本セルサイズ依存性)に大きな問題があったため、従来法での解決と更に大きな分子を扱う場合の新しい解決法について検討を行なった。その計算結果と物理的解釈の論文発表に取り組んでいた。これまであまり注目されていなかった粘度の基本セルサイズ依存性を法則として捉えることもできた。また、かなり大きな溶質であっても、拡散係数を計算できることが分かりつつある。残念ながらその課題の論文はまだ受理されていない。現在再投稿中である。
計算研究と同時にタンパク質の拡散係数と水和の研究も進み論文と総説が出版された。
第2に拡散係数の決定要因の中でも『移動する分子が流体から受ける摩擦の理解』を進めた。シンプルなモデルを用いた理論計算では、動径分布関数の第一極小が重要な鍵を握り、溶媒和効果が拡散係数に強い寄与をすることがわかった。その関連の論文について発表することができた。
また、上記の研究の関連で、動径分布関数の積分方程式理論の論文や、特殊な形状の周囲の密度分布についての計算を行い、結果を論文で発表している。

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

論文も出版されつつあり、概ね順調に進展しているとして良い。また、研究基盤について今後この研究を着実に進めて行ける基盤が出来上がったことは大きいと思う。タンパク質のシミュレーションについては充実した状況にあるし、ノウハウもかなり手に入れた。また、理論グループも動径分布関数の第1極小の重要性を捉えている。実験も興味深い結果を積み上げつつある。ここでは問題点がある部分について集中的に述べる。
仕方がないことではあるが、この2年強の間出張が制限されていた影響は大きい。残念ながら、実験グループとの議論や理論グループとの議論の充実を思ったように進められなかったことがある。これが第1の停滞点である。特に、今後出張が可能になるに従って、次にどんな溶質をターゲットとするべきかについての議論を密に進めて行く必要がある。
また、論文出版を順調に進めている。その一方で、タンパク質の計算の論文を出版まで持ってゆけなかった点が停滞点の2番目に当たる。これはレフェリーの問題もあるので、取り組み自体は順調に進めているが、今後対策を考える必要がある。
理論計算グループが溶媒和構造と拡散係数の関係について理解を深めてくれたことは大きい。その結果、溶媒和構造のどの点について特に注目する必要があるのかが分かりつつある。

今後の研究の推進方策

第一に、タンパク質のシミュレーションについては充実した状況にあるので、この2年強の間出張が制限されていた影響を払拭するべく、実験グループとの議論や理論グループとの対面を含めた議論の充実を図りたい。次にどんな溶質をターゲットとするべきかについての議論を密に進めたい。
第二に、論文出版を順調に進めている一方で、タンパク質の計算の論文を出版まで持ってゆけなかった点が問題点である。これにはレフェリーの問題もあるが、論文の内容を整理して2つに分割する方がテーマがそれぞれ絞られて理解しやすい論文になり、受理されやすくなると考えている。
理論計算グループが溶媒和構造と拡散係数の関係について理解を深めてた。今後も、動径分布関数の特に第一ピークと第一極小に注目して精度を上げてゆく必要がありそうである。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (9件) (うち国際共著 1件、 査読あり 9件) 学会発表 (3件) (うち国際学会 1件、 招待講演 2件)

  • [国際共同研究] National University of Singapore(シンガポール)

    • 国名
      シンガポール
    • 外国機関名
      National University of Singapore
  • [雑誌論文] Dynamic Monte Carlo calculation generating particle trajectories that satisfy the diffusion equation for heterogeneous systems with a position-dependent diffusion coefficient and free energy2022

    • 著者名/発表者名
      Nagai Tetsuro、Yoshimori Akira、Okazaki Susumu
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 156 ページ: 154506-1~14

    • DOI

      10.1063/5.0086949

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Time-resolved detection of association/dissociation reactions and conformation changes in photosensor proteins for application in optogenetics2021

    • 著者名/発表者名
      Terazima Masahide
    • 雑誌名

      Biophysical Reviews

      巻: 13 ページ: 1053~1059

    • DOI

      10.1007/s12551-021-00868-9

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Inhomogeneous Effects of Number Density on Polarization Relaxation of a Polar Solvent around an Ion2021

    • 著者名/発表者名
      Noji Junpei、Yoshimori Akira
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 90 ページ: 073801-1~5

    • DOI

      10.7566/JPSJ.90.073801

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Monopolar flocking of microtubules in collective motion2021

    • 著者名/発表者名
      Afroze Farhana、Inoue Daisuke、Farhana Tamanna Ishrat、Hiraiwa Tetsuya、Akiyama Ryo、Kabir Arif Md. Rashedul、Sada Kazuki、Kakugo Akira
    • 雑誌名

      Biochemical and Biophysical Research Communications

      巻: 563 ページ: 73~78

    • DOI

      10.1016/j.bbrc.2021.05.037

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Solvent effect for an effective attraction between like-charged macroions immersed in an electrolyte solution: The intensification mechanism of the effective attraction caused by the translational motion of solvent particles2021

    • 著者名/発表者名
      Suematsu Ayumi、Akiyama Ryo
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 154 ページ: 034902-1~8

    • DOI

      10.1063/5.0033874

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Solvation effects on diffusion processes of a macromolecule: Accuracy required for radial distribution function to calculate diffusion coefficient2021

    • 著者名/発表者名
      Nakamura Yuka、Yoshimori Akira、Akiyama Ryo
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 154 ページ: 084501-1~10

    • DOI

      10.1063/5.0038894

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Lateral depletion effect on two-dimensional ordering of bacteriorhodopsins in a lipid bilayer: A theoretical study based on a binary hard-disk model2021

    • 著者名/発表者名
      Suda Keiju、Suematsu Ayumi、Akiyama Ryo
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 154 ページ: 204904-1~11

    • DOI

      10.1063/5.0044399

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Selective Molecular Absorption from Low Molecular Weight Mixed Solution to a Polymer P4MP1 Film2021

    • 著者名/発表者名
      CHIBA Ayano、AKIYAMA Ryo
    • 雑誌名

      The Review of High Pressure Science and Technology

      巻: 31 ページ: 82~89

    • DOI

      10.4131/jshpreview.31.82

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A unique photochromic UV-A sensor protein, Rc-PYP, interacting with the PYP-binding protein2021

    • 著者名/発表者名
      Kim Suhyang、Nakasone Yusuke、Takakado Akira、Yamazaki Yoichi、Kamikubo Hironari、Terazima Masahide
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 23 ページ: 17813~17825

    • DOI

      10.1039/d1cp02731j

    • 査読あり
  • [学会発表] An estimation method for the diffusion coefficient using MD simulations with the basic cell containing only one protein as solute2021

    • 著者名/発表者名
      Tomoya Iwashita, Masaaki Nagao, Akira Yoshimori, Masahide Terazima, Ryo Akiyama
    • 学会等名
      第59回 日本生物物理学会年会
  • [学会発表] Diffusion coefficient of one macromolecule in an aqueous solution: the system size dependence of the viscosity in the estimation method using MD simulations2021

    • 著者名/発表者名
      Tomoya Iwashita, Masaaki Nagao, Akira Yoshimori, Masahide Terazima, Ryo Akiyama
    • 学会等名
      ICMARI2021
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] エントロピー駆動実効引力相互作用に関する研究2021

    • 著者名/発表者名
      秋山良
    • 学会等名
      第43回 溶液化学シンポジウム
    • 招待講演

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公開日: 2022-12-28  

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