化学反応下での両親媒性分子集合体の形態変化　マルチスケールにわたる理解

化学反应下两亲分子组装体的形态变化：多尺度理解

• 批准号: 16J01728
• 负责人: 中川 恒
• 金额: $ 0.83万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2016
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2016-04-22 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16J01728/
• 关键词: 粗視化シミュレーション; 二重膜; 両親媒性分子; 分子動力学シミュレーション; ソフトマター; 生体膜

本年度行った研究実績を二つに分けて説明する。1) 加水分解反応と脱水縮合反応によって引き起こされる二重膜の形態変化に関する研究加水分解反応と脱水縮合反応は生体内で広くみられる基本的な化学反応である。これら二つの化学反応によって引き起こされる二重膜の形状変化を粗視化シミュレーション手法を用いて調べた。シミュレーションの結果、二種類の形状変化が見られることがわかった。一つは円盤形状の二重膜の突起が成長する、bilayer protrusionと呼ばれる形状変化、もう一つはbuddingと呼ばれる形状変化である。さらに解析を進め、これら二つの形状変化が熱力学的性質だけでなく、膜とバルク溶液の粘性係数の違いによって支配されることを明らかにした。この結果は膜とバルク溶液の粘性に違いをつけることで、二重膜の形状変化を制御できることを示唆している。さらにこの結果は、実験において二重膜の形状を制御する新しい手段をも示唆するものである。2) 多価不飽和脂肪酸が二重膜の力学的物性に及ぼす影響に関する研究脂質の化学反応によって生じる疎水性分子の中には、二重膜に埋め込まれて存在するものがある。こうした反応生成物により二重膜はヘテロな組成となる。このようなヘテロな組成は二重膜の力学的性質を大きく変化させることが先行研究により知られているが、その分子論的起源は明らかではなかった。こうした、組成の変化に伴う二重膜の力学的性質の変化を定量的に調べるため、全原子シミュレーションを用いた研究を行った。具体的には、脂質の疎水基に二重結合を導入した場合の力学的性質の変化を調べ、二重結合の導入により曲げ弾性率が減少することを定量的に示した。さらに、こうした二重結合の導入に伴う曲げ弾性率の減少と、網膜や神経細胞など高い曲率を持つ生体膜の形成との関係性を、ノックアウトマウスを用いた実験結果と照らし合わせ明らかにした。

今年进行的研究结果分为两个。 1）研究，由水解反应和脱水控制反应引起的双层膜变化的水解反应和脱水控制反应是在活体中广泛发现的基本化学反应。使用粗模拟方法检查了由这两个化学反应引起的双膜的形状变化。由于模拟，发现看到了两种形状。一个是一种称为双层突出的形状变化，其中磁盘形双膜生长的双膜突出，另一个是称为萌芽的形状变化。进一步的分析得出了进一步的分析，并揭示了这两种形状不仅由热力学，而且由膜和块状溶液的粘性系数差异占主导地位。该结果表明，膜的粘度差异和大体溶液可以控制双膜的形状变化。此外，该结果提出了一种在实验中控制双膜形状的新方法。 2）研究脂质的化学反应引起的某些疏水分子对多雌性脂肪酸对双层膜机械性能的影响被嵌入双层膜中。双膜是这些反应产物的异源组成。众所周知，这种异质组成极大地改变了双膜的机械性能，但分子起源尚不清楚。为了定量研究由于组成的变化而导致双膜机械性能的变化，使用所有原子模拟进行了研究。具体而言，在疏水性脂质组中具有双重结合的情况下，机械性能的变化进行了检查，并定量地表明，由于引入了双键，弯曲弹性率降低。此外，与使用基因敲除小鼠相比，清除了由于引入这种双键而引起的弯曲弹性减少与生物膜（例如视网膜和神经细胞）的形成（例如视网膜和神经细胞）之间的关系。

项目成果

Nonuniqueness of local stress of three-body potentials in molecular simulations

分子模拟中三体势局部应力的非唯一性

• DOI: 10.1103/physreve.94.053304
• 发表时间: 2016
• 期刊: Physical Review E
• 影响因子: 2.4
• 作者: Shindou Hideo;Koso Hideto;Sasaki Junko;Nakanishi Hiroki;Sagara Hiroshi;Nakagawa Koh M.;Takahashi Yoshikazu;Hishikawa Daisuke;Iizuka-Hishikawa Yoshiko;Tokumasu Fuyuki;Noguchi Hiroshi;Watanabe Sumiko;Sasaki Takehiko;Shimizu Takao;中川恒;中川 恒;Koh M. Nakagawa and Hiroshi Noguchi
• 通讯作者: Koh M. Nakagawa and Hiroshi Noguchi

Bilayer sheet protrusions and budding from bilayer membranes induced by hydrolysis and condensation reactions

• DOI: 10.1039/c7sm02326j
• 发表时间: 2018-02-28
• 期刊: SOFT MATTER
• 影响因子: 3.4
• 作者: Nakagawa, Koh M.;Noguchi, Hiroshi
• 通讯作者: Noguchi, Hiroshi

短距離古典分子動力学シミュレーションコードのGPGPU化（１）

GPGPU转换短程经典分子动力学模拟代码（一）

• 发表时间: 2017
• 期刊: 分子シミュレーション研究会会誌 “アンサンブル”
• 作者: Shindou Hideo;Koso Hideto;Sasaki Junko;Nakanishi Hiroki;Sagara Hiroshi;Nakagawa Koh M.;Takahashi Yoshikazu;Hishikawa Daisuke;Iizuka-Hishikawa Yoshiko;Tokumasu Fuyuki;Noguchi Hiroshi;Watanabe Sumiko;Sasaki Takehiko;Shimizu Takao;中川恒
• 通讯作者: 中川恒

OpenACC vs CUDA 分子動力学法を題材として

基于分子动力学方法的OpenACC vs CUDA

• 发表时间: 2017
• 作者: Shindou Hideo;Koso Hideto;Sasaki Junko;Nakanishi Hiroki;Sagara Hiroshi;Nakagawa Koh M.;Takahashi Yoshikazu;Hishikawa Daisuke;Iizuka-Hishikawa Yoshiko;Tokumasu Fuyuki;Noguchi Hiroshi;Watanabe Sumiko;Sasaki Takehiko;Shimizu Takao;中川恒;中川 恒;Koh M. Nakagawa and Hiroshi Noguchi;Koh M. Nakagawa;中川 恒;中川 恒;中川 恒
• 通讯作者: 中川 恒

短距離古典分子動力学シミュレーションコードのGPGPU化（２）

GPGPU转换短程经典分子动力学模拟代码（二）

• 发表时间: 2018
• 期刊: 分子シミュレーション研究会会誌 “アンサンブル”
• 作者: K. M. Nakagawa and H. Noguchi;中川恒
• 通讯作者: 中川恒