2019 Fiscal Year Research-status Report
Chemiluminescence reaction dynamics on immunoassays and innovative optimization for luminescence efficiency
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18K05044
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| Research Institution | Sophia University |
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Principal Investigator |
南部 伸孝 上智大学, 理工学部, 教授 (00249955)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 化学発光過程 / 非断熱遷移 / スピン軌道相互作用 / 分子動力学 / アクリジニウムエステル / 古典軌道ホップ法 / 量子古典混合モデル / シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は昨年度に引き続き，化学発光強度が最も強い2,4-ジメトキシカルボニルフェニル10-メチル-10λ-アクリジン-9-カルボキシレイト（以後，DCMACと述べる）と過酸化水素の反応に伴う反応分子ダイナミクス（RMD）を，理論的に解明することを主目的とし，本課題にて，今年度実施される溶媒運動をも露わに考慮した量子古典混合モデルに基づく非経験的反応分子動力学（ab initio RMD）シミュレーション実施のためのプログラム開発を実施しさらに，新たな実験により示唆された反応機構の定性的解明を目指した。
具体的には、中園 学（九州大学薬学部）らにより新たな実験が実施された。その結果より，塩基性条件下において極端に発光強度が減少することが指摘された。さらに、新たな誘導体を合成し、その問題を克服する可能性が示された。これらの結果によると、DCMACを含めアクリジニウムエステル誘導体の加水分解によるカルボン酸とアルコール生成過程の可能性が示唆された。そこで、DMSO溶媒を分極連続媒体（PCM）モデルで近似し、密度汎関数にB3LYP、基底関数にDunningらにより開発されたaug-cc-pVDZ基底関数を用いた密度汎関数理論（DFT）に基づく量子化学計算により定性的なポテンシャルエネルギー曲面の探索を実施した。しかし、明確な遷移状態等を見出すことができなかった。
次に，昨年度から溶媒の運動をも露わに考慮した量子古典混合（QM/MM）モデルに基づくab initio RMDシミュレーションのプログラム開発を，時間依存密度汎関数理論（TDDFT）法などの簡便な量子化学計算に対する拡張性を探るために，実験により解明されているメチルアミンの光解離過程に応用し，一重項・三重項による項間交差を考慮した非断熱ab initio MDプログラムの開発を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
一重項・三重項による項間交差を考慮した非断熱ab initio MDプログラムを作成し，実験により詳細な解析が進められているメチルアミンの光分解過程へ応用した。当初，計算コストを削減するため，スピン軌道相互作用（SOC）を無視した計算を主に行い，一重項状態と三重興状態が交差した時のみにSOC計算を実施していた。しかし，メチルアミンの第一励起状態付近には最低でも三つの三重項状態が近接していることが判明したため，すべての計算においてSOC計算を実施し，得られる12×12の行列を対角化したのち断熱ポテンシャルエネルギー曲面を求めた。ただし，ポテンシャルエネルギーの傾きはSOCを無視した計算より得た。理由は，計算コストの削減および一重項・三重項による項間交差以外の分子構造においてはSOCの効果がほぼ1.0×10-8 Eh程度と小さいため，SOCを無視する近似を採用した。得られた結果は実験を再現し，三重項状態へ経る解離過程を動力学シミュレーションにより初めて証明した。現在，投稿準備を行っている。
上記で得られた経験と結果を基に，量子化学計算において並列計算効率が圧倒的に高い，石村和也（分子科学研究所）が開発したSMASHプログラムを用い，引き続き開発を行った。さらに，その成果として業績1の論文を発表した。研究内容は，光合成の過程の一つであるRubisCO酵素による炭素固定に不可欠な触媒反応メカニズムの解明を，QM/MM（ONIOM）モデルを用いab initio RMDシミュレーションを実施した。得られた結果は観測結果を定量的に再現するものとなりさらに，日本化学会論文賞（業績２）を受けることとなった。ただし，現状ではSOCを考慮せず自由エネルギー見積もりのみ行うことにより得た成果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までの進捗状況にて述べた通り，QM/MMモデルを用いab initio RMDシミュレーションに成功しているが，SOCの考慮がまだ達成されていない。従って，SMASHプログラムおよびSOCを計算することが可能なMOLPROプログラムを結び付け，一重項状態と三重興状態のポテンシャルが交差した場合の非断熱遷移を理論的に考慮できるプログラムの開発を続ける。一方，上記とは別にヒトアルカリフォスファターゼ（1EW2)とアダマンチルメトキシホスホリルフェニルジオキセタン（AMPPD）との間で起きる加水分解反応により生成する不安定なフェノキシド置換ジオキセタン誘導体を経て，Chemically Initiated Electron Exchange Luminescence（CIEEL）機構（日本語訳が多分ないので私訳すると，化学誘起電子交換発光機構）により生物発光に匹敵する発光をしめす。本年度も，この反応メカニズム解明に着手する。特に，ヒトアルカリフォスファターゼ（1EW2）のPDBデータより，分子動力学シミュレーションを実施し，タンパク質の構造をコンピュータ上に再現する。また，水系の溶媒中では発光が激減することが実験では観測されていることから，水中でのシミュレーションを実施する。仮にタンパク質がコンピュータ上で安定して運動することが確認されれば，PME-QM/MMモデルのもとab initio RMDシミュレーションの予備的計算を進める。
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