局所刺激の選択的な応答により不均一運動や形状を遷移させる分子の数理機構の解明

阐明由于对局部刺激的选择性反应而导致不均匀运动和形状转变的分子的数学机制

基本信息

批准号：
21K03411
负责人：
柳田達雄
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Osaka Electro-Communication University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

共有結合・分子結合，分岐やループなどの非一様な結合構造による局所運動が生体高分子の機能に関与している．本研究は，生体高分子を粗視化した力学モデルである質点がバネでつながった系（ビーズスプリングモデル）が創出するダイナミクスを数値および理論的に解明し，機能生成に重要と考えられる不均一運動状態や分子形態形成機構を明らかにすることを目的とする．本年度は，（１）ビーズスプリング分子の伸縮振動を与えると，励起モードに応じて分子形態が変化することを数値的に示しDynamical Induced Conformation（動的形態形成）として物理学会などにおいて報告した．特に，同位相で鎖状の分子間の振動を励起すると直線上の形態を保持し，反位相で振動を励起すると屈曲した分子形態が保持される．これらの結果は分子間ポテンシャルの極小値で規定される静的な形態とはことなる形態を振動の励起により動的に生成できることを示している．この動的形態変化を多時間摂動論により理論的に解析し，伸縮振動の励起にともない屈曲角の対する有効ポテンシャルの変化として理論的に捉えられた．これらの結果は学術雑誌（Physical Review E, 105, pp. 064201--064215 (2022)）に掲載された．（２）ビーズスプリング分子の結合バネを剛体棒に置換したモデルは運動にHolonomicな拘束があるため，特徴的な熱力学的振る舞いが現れる．その１つが分子の運動エネルギーが非一様となることが数値的に示してきた．一方で，３粒子系の場合にはビーズ粒子の運動エネルギーの統計平均を厳密に求めることができ，非一様性，すなわち，外側にある粒子と内側にある粒子の運動エネルギーの平均値の大小関係が温度に依存して変化することを解析的に示し，これらの結果は学術雑誌（Journal of Statistical Physics volume, 190, pp. 1--34 (2023)）に掲載された．

由于共价键、分子键、支链和环等不均匀键结构引起的局部运动涉及生物聚合物的功能。这项研究从数值和理论上阐明了质点通过弹簧连接的系统（珠弹簧模型）所产生的动力学，这是生物聚合物的粗粒度力学模型，旨在阐明质量点通过弹簧连接的系统所产生的动力学。点通过弹簧连接（珠弹簧模型），这是生物聚合物的粗粒度力学模型，目的是阐明运动状态和分子形态发生机制。今年，（1）我们用数值证明了当珠子弹簧分子受到拉伸振动时，其分子形态会根据激发模式而变化，并在日本物理学会和其他会议上将其报告为动态诱导构象。特别是，当链状分子之间的振动在同相中被激发时，线性形态得以维持，而当在相反相中振动被激发时，弯曲的分子形态得以维持。这些结果表明，通过振动激励可以动态地产生与由分子间势的最小值定义的静态形式不同的形式。利用多时相摄动理论对这种动态形状变化进行了理论上的分析，并在理论上将其理解为由于拉伸振动的激励而导致的有效势相对于弯曲角度的变化。这些结果发表在学术期刊上（Physical Review E, 105, pp. 064201--064215 (2022)）。 (2)将珠弹簧分子的结合弹簧替换为刚性杆的模型具有完整的运动约束，因此出现了特征性的热力学行为。其中之一已被数值证明分子的动能是不均匀的。另一方面，在三粒子系统的情况下，可以严格确定珠粒动能的统计平均值，并且不均匀性，即珠粒动能平均值的大小。我们分析表明，外部粒子和内部粒子的关系随温度而变化，这些结果发表在学术期刊上（Journal of Statistical Chemistry 卷，190，第 1--34 页（2023 年）。））。