2021 Fiscal Year Research-status Report
Elucidation of the third element of tritium exposure, "decay effect", by molecular simulation
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21K19845
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
藤原 進 京都工芸繊維大学, 材料化学系, 教授 (30280598)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中村 浩章 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (30311210)
阿蘇 司 富山高等専門学校, その他部局等, 教授 (30290737)
米谷 佳晃 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 光量子科学研究部, 主幹研究員 (80399419)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2023-03-31
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| Keywords | 分子動力学シミュレーション / 反応力場 / トリチウムの壊変効果 / DNAの水和構造 / OHラジカル / Geant4-DNA |
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| Outline of Annual Research Achievements |
福島での原発事故において、トリチウム汚染水の処理が社会的関心を集めている。トリチウム被曝では、従来の研究で考慮されてきた直接作用と間接作用に加えて壊変効果が存在するにも関わらず、これまで見落とされてきた。本研究では、トリチウム被曝の第三要素「壊変効果」に着目し、置換トリチウムのβ壊変によるDNA損傷の分子機構を分子シミュレーションにより解明することを目的とする。具体的には、トリチウムの置換部位を特定するための分子動力学（MD）計算とDNAの壊変効果を解析するための反応力場（ReaxFF）MD計算を行った。まず、DNA中のどの水素原子がトリチウムに置換されやすいのかを特定するため、水分子およびOHラジカルのアクセスしやすいDNA反応サイトを効率よく解析する手法の開発を行った。この手法を用いてMD計算を行った結果、DNA上の各水素に対するOHラジカルのアクセシビリティは、水分子のアクセシビリティに基づく従来の評価とは大きく異なるものであることが分かった。これは、従来の評価を改める必要を示唆するものである。また、トリチウムがヘリウム３に壊変し脱離した後のテロメアDNAの化学構造の変化を解析するため、五炭糖の5’の位置の炭素と共有結合する２つの水素がヘリウム３に壊変されたとして、予備的なReaxFF MD計算を行った。その結果、壊変される水素が増えると共有結合が切断され、テロメア構造が崩れることが確認できた。さらに並行して、DNAの水和構造解析により得られたトリチウムの置換部位に関するデータをGeant4-DNAに実装する方法の検討を行った。
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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
当初予定していた通り、MD計算によるトリチウムの置換部位の特定、化学結合の切断や再結合といった化学反応を扱えるReaxFF MD予備計算、およびDNAの水和構造解析により得られたトリチウムの置換部位に関するデータのGeant4-DNAへの実装方式の検討が着実に進んでいるため。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和３年度の研究をさらに推し進め、トリチウム被曝の第三要素「壊変効果」に着目し、置換トリチウムのβ壊変によるDNA損傷の分子機構を分子シミュレーションにより解明する。具体的には、DNA周囲の水分子およびOHラジカルの空間分布の計算などを行い、DNAへの水分子およびOHラジカルのアクセシビリティーを評価する（藤原、米谷）。DNA反応部位に対する実験的知見(Balasubramanian et al., PNAS 1998, 95, 9738）や溶媒接触表面積の計算結果も加味し、分子の動的揺らぎや周囲の静電環境の寄与を明らかにしていく。また、ヘリウムが脱離した後のDNA構造変化を調べるため、ReaxFF MD計算を本格的に行い、壊変効果の解析を進める（藤原、中村）。並行して、トリチウムの置換部位に関するデータ、DNA周囲の水分子およびOHラジカルの空間分布に関するデータ、およびモンテカルロ（MC）計算をGeant4-DNAに実装する（阿蘇）。トリチウムの置換部位に関するデータおよびDNA周囲の水分子およびOHラジカルの空間分布に関するデータのGeant4-DNAへの実装に関して、そのデータの精度がGeant4-DNAの計算結果を大きく左右するため、Geant4-DNAの計算結果と実験結果を比較して、実装データの検証評価を行う（藤原、中村、米谷、阿蘇）。計算ソフトは、MD計算ではAmberを、ReaxFF MD計算ではLAMMPSを用いる。これらのMD計算、ReaxFF MD計算、Geant4-DNAへの実装は、本助成金で購入する高性能パソコンで実行し、出力される大量の計算データは本助成金で購入するストレージに保存する。さらに、得られた成果を、国際学会や論文等にまとめて発表を行う。
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| Causes of Carryover |
（次年度使用額が生じた理由）
新型コロナウイルス感染症対策の観点から、対面での研究打合せは行わず、オンラインで打合せを行ったため。また、半導体不足によりGPUが高騰したため、最新GPUを搭載した高性能パソコンの購入を見合わせたため。
（使用計画）
新型コロナウイルス感染症の状況次第であるが、可能な限り対面での研究打合せを行う。また、出来るだけ早期に最新GPUを搭載した高性能パソコンを購入し、大規模計算を実行する。
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[Presentation] DNAテロメア壊変のReaxFF を用いたMD シミュレーション2022
Author(s)
石黒 健人, 中村 浩章, 安永 卓生, 藤原 進, 水口 朋子, 中田 彩子, 宮崎 剛, 剣持 貴弘, 波多野 雄治, 斉藤 真司, 米谷 佳晃
Organizer
2021年度核融合科学研究所一般共同研究(研究会)
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[Presentation] Effect of tritium beta decay in deoxy-D-ribose on duplex of telomeric DNA2021
Author(s)
Kento Ishiguro, Hiroaki Nakamura, Takuo Yasunaga, Susumu Fujiwara, Tomoko Mizuguchi, Ayako Nakata, Tsuyoshi Miyazaki, Takahiro Kenmotsu, Yuji Hatano, Shinji Saito, Yoshiteru Yonetani
Organizer
The 40th JSST Annual International Conference on Simulation Technology (JSST2021)
Int'l Joint Research
