140 研究領域の現状
6 -2 理論・計算分子科学研究領域
理論分子科学第一研究部門
斉 藤 真 司（教授） （2 0 0 5 年 1 0 月 1 日着任）
A-1) 専門領域：物理化学，理論化学
A-2) 研究課題：
a) 生体分子における構造変化動力学に関する理論研究
b) 時計タンパク質 KaiC の概日リズムの分子機構に関する理論研究 c) 光合成細菌における励起エネルギー移動に関する理論研究 d) 過冷却水に関する理論研究
A-3) 研究活動の概略と主な成果
a) 近年，超高速分子動力学シミュレーション専用機 ANTON により，ミリ秒スケールのトラジェクトリデータの計算が
可能になった。そこで，我々は，運動の時間スケールの違いにより構造変化の基底を構築する⽅法を提案するとともに， それにより抽出された遅い（幾つかの）運動を反応座標として構造変化（folding/unfolding）の自由エネルギー面を描
くとともに，タンパク質の折れたたみに関するダイナミクスの解析を行った。その結果，多様な構造変化経路および その速度論を明らかにした。また，蛍光スペクトルやFRET にも関わる構造変化に関する多次元解析として，残基間 の距離の揺らぎの多時間相関関数およびその寿命の多次元スペクトルの解析を提案した。その結果，異なる時間スケー ルを持つ構造揺らぎのカップリングの時間変化，すなわち，どのように構造変化ダイナミクスが動的に絡み合ってい るか等を明らかにした。
b) シアノバクテリアの概日リズムは３つのタンパク質により制御されており，その中でも，とくに時計タンパク質 KaiC が重要であることが知られている。さらに，秋山らによる実験から，KaiC の C1 リングの ATP 加水分解反応が概日リ ズムの周期と強い相関があることも明らかにされた。KaiC の ATP 加水分解はモノマーあたり１日に約 11 個しか分解
されず，モータータンパク質に比べ極めて遅い反応であるが，その反応は安定に維持されている。さらに，秋山らに よる構造解析の結果から，ATP 加水分解の前後で C1 リングの主鎖の cis–trans 異性化，ATP 近傍の水の配置がモーター タンパク質とは異なることが明らかにされた。そこで，秋山グループとともに，KaiC の ATP 加水分解反応の詳細の
解析を行った。
c) 光合成系では，発色団で吸収された光エネルギーが励起エネルギー移動により効率よく活性中心へと伝達される。し
かし，高効率エネルギー移動がどのように達成されているのかについては未だに明らかにされていない。我々は， Fenna-Matthews-Olson（FMO）タンパク中を例として各色素のエネルギー準位やその揺らぎを解明するため⽅法論の 開発を進めている。その結果，FMO タンパク中の色素のエネルギー準位が如何に決まっているのかを初めて明らか
にした。さらに，各色素の構造やタンパク質や水など色素周辺の環境により励起エネルギーが如何に揺らいでいるの かについても明らかにした。
d) 水の熱力学的異常性は，温度低下とくに融点以下で，急激に増す。等圧熱容量および複素熱容量の温度依存性の理
論解析から，約220 K で水が fragile–strong 転移を示すことを明らかにした。より低い温度の過冷却水の構造・熱力学・
研究領域の現状 141 動力学的性質を解析し，室温の液体状態から見られるパーコレートした高密度液体（HDL）が 220 K 以下で細分化
され，さらに195 K 以下で減少，小型化するとともに，低密度液体（LDL）が主成分となりパーコレートすることを 明らかにし，約195 K 以下での HDL のクラスター数およびクラスターサイズの減少によりダイナミクスが遅延化す ることによる新たな動的転移が存在することを見出した。また，約195 K 以下では，LDL と HDL の転移が遅くなり 動的不均一性も抑制されることも明らかにした。また，約195 K 以下の過冷却水は基本的に LDL による一成分系と みなすことができるため，その温度以下の過冷却水の密度は，通常の液体のように温度低下とともに増加することも 示した。
B-1) 学術論文
T. MORI and S. SAITO, “Dynamic Heterogeneity in the Folding/Unfolding Transitions of FiP35,” J. Chem. Phys. 142, 135101 (7 pages) (2015).
J. ONO, S. TAKADA and S. SAITO, “Couplings between Hierarchical Conformational Dynamics from Multi-Time Correlation Functions and Two-Dimensional Lifetime Spectra: Application to Adenylate Kinase,” J. Chem. Phys. (Special Topic: Multidimensional Spectroscopy) 142, 212404 (13 pages) (2015).
J. ABE, T. HIYAMA, A. MUKAIYAMA, S. SON, T. MORI, S. SAITO, M. OSAKO, J. WOLANIN, E. YAMASHITA, T. KONDO and S. AKIYAMA, “Atomic-Scale Origins of Slowness in the Cyanobacterial Circadian Clock,” Science 349, 312–316 (2015).
S. IMOTO, S. S. XANTHEAS and S. SAITO, “Ultrafast Dynamics of Liquid Water: Energy Relaxation and Transfer Processes of the OH Stretch and the HOH Bend,” J. Phys. Chem. B 119, 11068–11078 (2015).
B-4) 招待講演
S. SAITO, “Hydrogen Bond Network Dynamics in Supercooled Water,” International 6th THz-Bio Workshop 2015, Seoul (Korea), April 2015.
S. SAITO, “Couplings between Multi-Scale Conformational Fluctuations: Towards Understanding of Emergence of Function of Biomolecule,” Workshop of Theoretical Chemistry, Sungyunkwan University, Swon (Korea), April 2015, cancelled due to schedule conflict.
S. SAITO, “Couplings between Multi-Timescale Conformational Fluctuations,” Korea-Japan Symposium on Molecular Science, Busan (Korea), July 2015, cancelled due to MERS.
B-6) 受賞，表彰
金 鋼, 日本物理学会若手奨励賞 (2010).
B-7) 学会および社会的活動
学協会役員等
理論化学討論会世話人会委員 (2002–2009). 日本化学会東海支部幹事 (2007–2008).
分子シミュレーション研究会幹事 (2007–2011, 2015– ).
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分子科学会運営委員 (2008–2012, 2016– ).
日中韓理論化学ワークショップ幹事 (2013– ). 学会の組織委員等
4th International Conference on Coherent Multidimensional Spectroscopy, Local Organizing Committee (2008). International Symposium on Reaction Dynamics of Many-Body Chemical Systems, Chair (2009).
12th Japan-Korea Joint Symposium on Molecular Science, Local Organizing Committee (2009).
7th Congress of the International Society for Theoretical Chemical Physics, Local Organizing Committee (2011). 13th Korea-Japan Joint Symposium on Molecular Science, Co-Chair (2011).
Time Resolved Vibrational Spectroscopy 2013, Local Organizing Committee (2013).
IMS Workshop on “Hierarchical Molecular Dynamics: From Ultrafast Spectroscopy to Single Molecule Measurements,” Chair (2013).
14th Japan-Korea Joint Symposium on Molecular Science, Chair (2013).
1st China-Japan-Korea Tripartite Workshop on Theoretical and Computational Chemistry, Organizing Committee (2013). 15th Korea-Japan Joint Symposium on Molecular Science, Co-Chair (2015).
2nd China-Japan-Korea Tripartite Workshop on Theoretical and Computational Chemistry, Co-Chair, Organizing Committee (2015).
Asia Academic Seminar 2015, Organizing Committee (2014–2015).
文部科学省，学術振興会，大学共同利用機関等の委員等 日本学術振興会科学研究費委員会専門委員 (2015).
情報学研究所運営委員会委員 (2010– ).
東北大学金属研究所計算材料科学センター 運営委員会委員 (2015– ).
核融合科学研究所外部評価委員会数値実験炉研究プロジェクト専門部会国内専門委員 (2012, 2015). その他
High Performance Computing infrastructure（HPCI）コンソーシアム運営委員会委員 (2013– ).
計算科学イニシアティブ（CMSI）第一部会メンバー (2012– ).
計算科学イニシアティブ（CMSI）スパコン連携小委員会委員 (2012– ). 計算物質科学人材育成コンソーシアム次世代研究者育成委員会委員 (2015– ). ポスト「京」重点課題⑤運営委員会委員 (2015– ).
計算物質科学スパコン共用事業運営委員会委員 (2015– ). 計算科学研究機構人材育成タスクフォースWG 委員 (2015– ). 計算基礎科学ネットワーク拠点分子科学分野委員 (2012– ). National Research Foundation of Korea 審査員 (2015). 自然科学研究機構研究連携委員会委員 (2012– ). 自然科学研究機構国際連携委員会委員 (2012– ).
自然科学研究機構新分野創生センターイメージングサイエンス研究分野併任 (2012– ). 総合研究大学院大学教育研究委員会委員 (2015).
総合研究大学院大学インターンシップ制度検討分科会委員 (2015).
研究領域の現状 143 B-8) 大学での講義，客員
総合研究大学院大学物理科学研究科, 「生体分子シミュレーション入門」, 2015年 12月10日–11日.
B-10) 競争的資金
科研費若手研究(B), 「タンパク質の動的構造と機能発現ダイナミクスの分子論的解明」, 森 俊文 (2015年度 –2018年度 ).
科研費研究活動スタート支援, 「天然変性タンパク質の動的構造と機能発現機構の分子論的解明」, 森 俊文 (2014年度 ). 科研費基盤研究(B), 「生体分子の構造遍歴ダイナミクスと機能発現の分子機構の理論的解明」, 斉藤真司 (2013年度 –2016 年度).
科研費挑戦的萌芽研究, 「生体分子の構造変化に伴う状態遷移ダイナミックスの解析手法の開発とその応用」, 斉藤真司 (2011年度 ).
日印共同研究, 「水および水溶液の構造とダイナミクス：理論と実験」, 斉藤真司 (2010年度 –2011年度).
科研費基盤研究(B), 「線形・非線形分光シミュレーションによる緩和および反応ダイナミクスの解明」, 斉藤真司 (2010年度 –2012年度).
科研費特定領域研究（計画研究）「空間・時間不均一ダイ, ナミックス理論の構築」, 斉藤真司 (2006年度 –2009年度).
科研費基盤研究(B), 「化学反応および相転移ダイナミクスの多次元振動分光法による理論解析」, 斉藤真司 (2004年度 –2006 年度).
C) 研究活動の課題と展望
近年の計算機の発達により，比較的小さなタンパク質に関してはマイクロ秒オーダーの計算が可能となった。さらに，特殊な ハードウェアを用いて求められたミリ秒のトラジェクトリ計算を利用できるタンパク質もある。しかし，タンパク質の動的理解 は未だに十分に進んでいない。そこで，タンパク質の構造変化を凝縮系反応とみなし，タンパク質の構造変化が如何に起こ るのかに挑む。また，生体分子の機能発現解明に関する解析を進める。その一つとして，時計タンパク質KaiC の概日リズ ムの解明に挑む。そのために，KaiC におけるATP の加水分解と構造揺らぎ・変化が如何に共役しているのか，C1 および C2 リングにおける反応および構造変化などを解析し，最終的に，秋山教授らとともに，システムとしての概日リズムの分子
機構の理解を目指す。二つ目の課題として，Fenna-Matthews-Olson タンパク質における高効率な励起エネルギー移動の分 子論的解明を目指す。また，三つ目の課題として，ポリセオナミドB（pTB）の膜内挿入・イオン透過機構の解析を行い，イ オンチャネルにおけるイオン透過に関する包括的理解の獲得とともに，イオン−チャネル系を単純な化学反応系とみなし，凝 縮系化学反応に関する基本的理解の解析を行う。これらの生体分子に関する理論研究に加え，過冷却水の動力学，とくに ガラス化が如何に進むのか，その際に運動がどのように変化していくのかなどに関する理論研究に挑む。
