【研究分野】生物物理学

【研究領域課題番号】17K15101 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

水素イオン / 分子シミュレーション / 凝縮系 / 量子化学 / ダイナミクス / 物理化学 / 分子動力学法 / プロトン移動 / QM/MM法 / 生物物理

【研究成果の概要】

我々は溶媒の量子化学効果を取り込む手法を検証・改良する過程において、全てのハイブリッドモデルシミュレーションが影響をうけるアーティファクトを発見した。このアーティファクトは今まで議論されたことはなかったが、水素イオンのダイナミクスを再現する上でそれを補正することが非常に重要になる。そこで当初の予定を変更し、このアーティファクトの詳細な分析と補正法の提唱を行いその有効性を示すことに成功した。
さらに水溶液系の中で余剰の水素イオンの連続的な座標表現を、従来我々が提唱している手法に組み込むことで、水素イオンをダイナミクス計算で安定して取り扱えるように改良し、安定で正確なシミュレーションが可能となった。

【研究の社会的意義】

水素イオンは最も身近で重要な存在であるにも関わらず、時間発展の分子シミュレーションにおいて最も取り扱いが難しい対象であった。したがって、本研究において水素イオンを取り扱う理論的フレームワークが出来上がったことにより、今までダイナミクス計算で取り扱えなかった生体分子の（生体分子のプロトン輸送や構造の加水分解など）重要な現象や機能の解析が可能になることを示唆している。
また生体分子に限らず、水素イオンは溶液中での様々な化学反応に関連しているために重要な役割を果たしている。したがって以後これら多分野のシミュレーションにも応用され、様々な現象のメカニズム解明に役立つことが期待される。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2019-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】物理化学

【研究領域課題番号】15H03765 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

１分子観察 / 一分子計測(SMD) / 一分子観察 / １分子計測(SMD) / 一分子観察(SMD) / 共焦点顕微鏡 / 生体分子 / 生物物理 / 化学物理 / １分子計測（SMD) / 物理化学 / 希土類イオン / 核スピン

【研究成果の概要】

我々は、結晶中にある無数のイオン一つ一つをそれぞれ1量子ビットずつに割り当てることで、量子ビットを高度に集積することを目指して、新しい系の探索と観察する光学顕微鏡の独自開発を10年にわたり続けてきた。当該研究では、Pr3+同士の三次元相対位置を決定する場合に、遷移双極子の向きにより、20~30 nmの系統誤差が生じることが分かった。そこで、三次元のすべての軸を高精度に決定することで、この系統誤差を補正する成功した。

【研究の社会的意義】

本研究で得た二つの顕微技術は、希土類イオンの量子論理演算だけでなく、物理、化学、薬学、医学に広く使える技術である。特に、薬学医学応用にとても大きな可能性があると考えている。この技術を用いれば、細胞内部の個々の分子が分子解像度で観察できる可能性を持っている。本課題は終了したが、本研究を継続させると共に、こちらの研究も進めて行く予定である。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2019-03-31

【配分額】16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円)