ヘム蛋白質における多体効果の理論研究-放射光分光の視点から-

2015 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 25400335
• 研究機関: 奈良先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 田口 宗孝 奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 助教 (10415218)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 金属タンパク質 / クラスター計算 / 共鳴Ｘ線発光分光

研究実績の概要

本研究は、鉄の多体効果に注目し、物性物理の土俵でたんぱく質を電子論的に議論することを目的としている。具体的には、放射光の物性研究で成功を収めた数値シミュレーション法をヘムタンパク質に適用し実験スペクトルと比較することで、そのさまざまな機能に関するヘム鉄の電子状態を理論的に解明することである。
本研究であげた具体的な計画項目は、①鉄の多体効果とポルフィリン環の強い混成効果を同等に取り扱うことのできるクラスター模型の構築、②基質分子の可逆的な吸脱着による鉄の電子状態変化の機構解明、③ヘム鉄の局所的な構造変化が鉄の３ｄ電子状態に与える影響、の三つであった。
昨年度までに、①のクラスター模型の解析的模型の構築、②の基質分子の変化による鉄原子の電子状態の変化についてはポルフィリン環や基質分子の分子軌道を正確に計算しそれを強い電子相関をもつ３ｄ軌道とうまく融合することによって完成しており、ほぼ正確なエネルギー準位を再現できるようになった。また③のヘム鉄の局所的な構造変化に伴う電子状態の変化についても進展があり、ヘム鉄がポルフィリン環面からずれることによる効果なども正確に取り入れられるようになった。
しかしながら昨年度の研究の重要課題でもあったスピン状態の変化については、未だに正確に記述することができていない。ヘム鉄のスピン状態はヘムタンパク質の機能性と密接に関連していことが広く知られているがその電子論的な説明ができないのが現状である。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

昨年度からの重要課題である、ヘム鉄のスピン状態を記述する模型の構築に遅れが生じている。基質分子の違いによりヘム鉄の電子状態（エネルギー準位）が微妙に変化することは昨年度までの研究から明らかとなってきているがスピン状態を変化させる要因が説明できていない。

今後の研究の推進方策

スピン状態を正確に記述できないと上述したが、正確には、半経験的な結晶場パラメーターを入れることでスピン状態自体は実は記述することはできている。しかしながらこの結晶場パラメーターがどうして基質分子の違いで大きく変化するのかが不明である。対策としては、様々な基質分子でどのように結晶場パラメーターが変化していくかを系統的に調べその傾向を探り出すことで、その糸口を見出したい。

次年度使用額が生じた理由

国内出張を二回ほどキャンセルをしたため。

次年度使用額の使用計画

次年度の国内出張にあてるつもりである。

研究成果

• [雑誌論文] Temperature Dependence of Magnetically Active Charge Excitations in Magnetite across the Verwey Transition (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Taguchi, A. Chainani, S. Ueda, M. Matsunami, Y. Ishida, R. Eguchi, S. Tsuda, Y. Takata, M. Yabashi, K. Tamasaku, Y. Nishino, T. Ishikawa, H. Daimon, S. Todo, H. Tanaka, M. Oura, Y. Senba, H. Ohashi, and S. Shin
  • 雑誌名: Ｐｈｙｓｉｃａｌ Review Lettrers 巻: 115 ページ: 256405-1～5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.256405
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electronic structure evolution across the Peierls metal-insulator transition in a correlated ferromagnet (2015)
  • 著者名/発表者名: P. A. Bhobe, A. Kumar, M. Taguchi, R. Eguchi, M. Matsunami, Y. Takatay, A. K. Nandy, P. Mahadevan, D. D. Sarma, A. Neroni, E. Saioglu, M. Lezaic, M. Oura, Y. Senba, H. Ohashi, K. Ishizaka, M. Okawa, S. Shin, K. Tamasaku, Y. Kohmura, M. Yabashi, T. Ishikawa, K. Hasegawa, M. Isobe, Y. Ueda, and A. Chainani
  • 雑誌名: Physical Review X 巻: 5 ページ: 041004-1～9
  • DOI: 10.1103/PhysRevX.5.041004
  • 査読あり
• [学会発表] Revisiting the electronic structure of magnetite by hard X-ray photoelectron spectroscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Taguchi, A. Chainani, S. Ueda, M. Matsunami, Y. Ishida, R. Eguchi, S. Tsuda, Y. Takata, M. Yabashi, K. Tamasaku, Y. Nishino, T. Ishikawa, H. Daimon, S. Todo, H. Tanaka, M. Oura, Y. Senba, H. Ohashi, and S. Shin
  • 学会等名: 10th International Symposium on Atomic Level Characterizations
  • 発表場所: Kunibiki Messe (Matsue, Shimane)
  • 年月日: 2015-10-25 – 2015-10-30
  • 国際学会
• [学会発表] Revising the Electronic Structure of Magnetite Fe3O4 by Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Taguchi, A. Chainani, S. Ueda, M. Matsunami, Y. Ishida, R. Eguchi, S. Tsuda, Y. Takata, M. Yabashi, K. Tamasaku, Y. Nishino, T. Ishikawa, H. Daimon, S. Todo, H. Tanaka, M. Oura, Y. Senba, H. Ohashi, and S. Shin
  • 学会等名: International Conference on Electron Spectroscopy and Structure: ICESS-15
  • 発表場所: Stony Brook University (Stony Brook, USA)
  • 年月日: 2015-09-28 – 2015-10-02
  • 国際学会