次世代ナノ生体物質グループ
グループリーダー
分子研
サブリーダー
産総研
名大院理
分担研究代表者
代表
京大国際融合
分子研
岡山大院理
分子研
金沢大院自然
京大化研
産総研
東レ
東大分生研

岡崎 進
北浦和夫
岡本祐幸
木下正弘
平田文男
田中秀樹
斉藤真司
三浦伸一
中原 勝
三上益弘
茂本 勇
北尾彰朗
２００７．１０ 東京

ナノ分野グランドチャレンジの構造化 ～応用分野～
ナノテクノロジー・材料分野

次世代ナノ統合シミュレーションの重点対象領域

材料領域 【エネルギー問題の克服】

バイオマス利活用領域

ナノテクノロジー・材料分野
推進基盤領域

燃料電池

光触媒（太陽電池）

水素吸蔵

スーパース
パキャパシタ分子エレクトロニクス

フレクシブルディスプレイ

ナノバイオテクノロジー・
生体材料領域
金属触媒

半導体レーザー
半導体レ
ザ
量子コン
ピュータ
電界電子放出ディスプレイ

高感度有害物質センサー

材料領域 【産業競争力の維持強化】【産業競争力 維持強化】

ナノワイヤー

ナノコンポジット素子

エタノ ル燃料
エタノール燃料（バイオマス利用）

高機能イオンバッテリー

ナノエレクトロニクス領域単電子デバイス

環境分野

フォトニック結晶
光通信
材料

ナノメタル・ナノ合金

ナノセラ
ミックス

ナノガラス

機能調和人工格子

有機半導体

ナノサイエンス 物質科学領域
ナノサイエンス・物質科学領域
超高密度記憶- メモリ- ディスク光スイッチ

新規炭素系材料(ﾌﾗｰﾚﾝ、ｶｰﾎﾞﾝﾅﾉﾁｭｰﾌﾞ等)

次世代LSI

バイオセンサータンパク質阻害剤
イメージング

無副作用
抗がん剤

ＤＤＳ

生体分子
分析チップ

再生医療

創薬

ナノバーコードタンパク質機能バイオ・マテリアル

細胞膜
ウイルス

ナノ複合材料
DNAコンピュータ

1

研究概要

研究概要
タンパク質・複合体
質 複
１．タンパク質高度シミュレーション新規方法論
２．イオンチャンネルの分子過程
３ ウイルスの分子科学
３．ウイルスの分子科学

RMSD 44.8
8 Å(allÅ( ll Cα)
C )タンパク質の構造予測

タンパク質の全電子計算

球状ミセル

タンパク質複合体

細胞膜
４．細胞膜の分子科学と膜融合
５．ナノ生体物質輸送（DDSのナノ過程）
６ 新規ナノ生体物質の創生と利用
６．新規ナノ生体物質の創生と利用
46 nm

27 nm

22 nm
平面脂質膜リポソーム

ウイルス

べん毛繊維

分子ならびに分子集合体の構造と動力学

物質の多様性、複雑性
原
原子
原子核・電子分
分子
複数の原子

溶媒中の溶質分子

27 nm

溶媒中の分子集団

水中の酵素

ウイルスカプシド

分子ならびに分子集合体のシミュレーション
分子の中の電子化学結合

ナノスケール空間における電子のふるまいを サブオング
子のふるまいを、サブオングストロームの分解能で記述する。モルあたり、サブジュールのエネルギー分解能
ギ

量子力学的な取り扱い

微視的な基礎方程式から出発
V22

V11

化学反応の追跡|ξ21>|Φ2>|ξ11>|Φ1>

E21

E11

電子状態と原子核の運動を同時に記述する。核の量子化

巨視方程式では記述できないE10|ξ10>|>|Φ1>D

分子集合体の構造と動力学
自由エネルギーレベルでの考察
複雑な分子間相互作用

H

E20|ξ20>|Φ2>A

多数分子の運動を、サブオングストローム、フェムト秒の分解能で記述する サブジ解能で記述する。サブジュー
ルのエネルギー分解能基礎方程式からの出発と近似
定常状態の電子を取り扱う

H Ψ = EΨ

分子電子状態理論
反応量子化学
物性量子化学

大規模な計算
粗視化
連成

核の量子化

F = mr
原子・分子の運動を取り扱う

ＨＦ，ＤＦＴ，ＭＰ２，ＤＣ-ＭＰ２，ＣＣ，ＣＩ，ＨＦＤＦＴ ＭＰ２ ＤＣ ＭＰ２ ＣＣ ＣＩ
ＳＡＣ-ＣＩ，ＣＡＳ-ＳＣＦ，ＭＣ-ＳＣＦ，ｆｕｌｌ
ＣＩ，ＭＲＣＩ，ＱＭ/ＭＭ，ＯＮＩＯＭ，ＦＭ
Ｏ，ＴＤ-ＨＦ，ｒｅｒａｔｉｖｉｓｔｉｃ
Ｏ，ＴＤ
ＨＦ，ｒｅｒａｔｉｖｉｓｔｉｃ ＨＦ，長距離
ＨＦ交換相互作用、非断熱トンネル反応動力学、ｇｒａｄｉｅｎｔ，ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ，ｆｒ
ｅｑｕｅｎｃｙ、エネルギー密度解析、相対論的ＣＩ，

多様な計算

電子ダイナミックス∂Ψi== EΨ
∂t

複雑多体系

分子集合体

ＭＤ，ＣＭＤ，ＭＣ，ｈｙｂｒｉｄ
ＭＤ
ＣＭＤ ＭＣ ｈｙｂｒｉｄ ＭＣ，ＭＣ
ＭＣ ＭＣ
ＭＤ，レプリカ交換ＭＤ，ｐａｔｈ ｉｎｔｅｇｒ
ａｌ，ＭＱＣＭＤ，ＮＥＭＤ，ＳＬＬＯＤ，熱流，熱力学的積分法，摂動法，Ｅｗａｌ
積摂ｄ，ＰＭＥ，ＣＩＭＥ，ＲＩＳＭ，ＨＮＣ，ＰＹ，ＤＦＴ，ＭＤ-ＭＯ，ＲＩＳＭ-ＭＣ、自由エ
ネルギー関数、挿入法、階層シミュ
レーション、量子古典混合系近似、影シ
量子古典混合系近似 影
響汎関数

分子動力学法次世代スパコンモンテカルロ法
統計力学

目的と具体的な達成目標
目的
タンパク質、細胞膜、ミセルなど、ライフサイエンス分野との融合領域において、タンパク質細胞膜 ミセルなど ライフサイエンス分野との融合領域において特にナノスケールの生体物質に発現する特有の現象・特性を解明し、予測することのできる計算科学の理論・方法論を確立する。
ナノスケールの生体物質に対して、自由エネルギーレベルでの相互作用、自己組織化、また動的な振る舞いをシミュレートできる方法論を確立する。

具体的な達成目標
ナノスケールの生体物質について、原子レベルから、構成する物質全体に至るまで、その動きや構造を現実の状態を踏まえて解析を行う全原子シミュレー
ション技術を開発する。
例えば、ウイルスの感染、免疫機構解明につながるウイルスとタンパク質、細胞膜との相互作用の解析のための１０００万原子系の１ 秒の全原子分子動力胞膜との相互作用の解析のための１０００万原子系の１μ秒の全原子分子動力学シミュレーション

生命体を構成するナノ物質のシミュレーションを可能とする方法論を確立することにより、テーラーメード医療を目指した次世代生命体シミュレーションのナノ基盤を構築する。

次世代ナノ生体物質
ナノスケールの生体物質の構造や機能を分子レベルで理解するための分子科学、計算科学方法論の確立
ナノ生体物質の複合系であるウイルスの分子プロセスを解析することのできる方法論の確立
ウイルスカプシドの自由エネルギーレベルでの相互作用、動的なふるまいをシミュレートできる方法論

細胞膜、タンパク質との相互作用
認識

せいぜいが、１０万原子系に対して１００ナノ秒の計算、決まった構造の周りの限られた運動が追跡可能なだけ
ボトルネックは大規模系のクーロン相互作用の厳密な評価法の開発や新規アルゴリズムによる完全領域分割化により新規アルゴリズムによる完全領域分割化により、次世代スーパーコンピュータの性能をフルに活用
27 nm

小児マヒウイルス

ウイルスを分子科学 計算科学の俎上にウイルスを分子科学、計算科学の俎上に
将来的には感染機構、免疫機構への展開の可能性
予防法、治療法の開発に寄与

しかしながら現時点では、分子動力学法を用いても本グループにおける挑戦的問題解決

46 nm

熱やｐＨがウイルスに与える影響
水や空気などの環境とウイルス
化学物質とウイルス構造

ウイルス（溶媒である水も含めると１０００万原子系）のグロー
バルな構造変化、長時間運動を追跡する必要

計算機能力が低い、高度に並列化、汎用化した１０００万原子系のクーロン相互作用系の実用的な計算方法がない系
相 作用系 実用
算方法

ウイルスの全原子シミュレーション
分子レベルの安定構造と熱運動
構成タンパク質間の接合構造

このような研究のためには

さらには、新規方法論を用いてＲＩＳＭ法による溶媒効果の評価、ＲＩＳＭ法による溶媒効果の評価
エネルギー表示、熱力学的積分法による自由エネルギー計算
これらにより、従来は不可能であった１０００万原子系に対するマイクロ秒の計算により、自由エネル
０００万原子系に対する イク 秒の計算により 自由 ネル
ギーレベルでの相互作用、動的なふるまいの解析を実現

7

（３） ウイルスの分子科学

ウイルスの全原子シミュレーション
ウイルスの全原子シミュレション

分子研・岡崎分子研
岡崎
１０００万原子系

１０００万原子系のＭＤ計算

120

rattlesec / steps

100
80

shake
energy_direct60

energy_tree

大規模計算の必要性
40
20064128256512736ＣＰ Ｕ 数

８００並列 1 step / 20 s
46 nm

46nm
46 nm

27 nm

グリッド可視化 （情報研）

ポリオウイルス

タンパク質、細胞膜の高度なシミュレーション
多様性への対応の必要性
・相互作用の高精度計算

ＦＭＯ、ＭＰ２

北浦、永瀬・サンプリングの効率化
サンプリングの効率化

拡張アンサンブル

岡本

・溶媒効果

積分方程式

平田、木下

・自由エネルギー
自由エネルギ

熱力学積分法岡崎
エネルギー表示中原、松林
摂動法
insertion overlapping 三上
上・量子効果

核の量子化

三浦、岡崎

・分極モデル
分極 デ

電荷 変
電荷可変ＭＤ茂本

統合ソフトウェアの階層性

表示ソフト

連携ツール

可視化ソフト、・・・・・

ＧＩＡＮＴ、ＩＧＮＩＴＩＯＮ

解析ソフト

電場、ＲＤＦ、輸送係数、・・・・・

機能拡張ソフト

粗結合 → 密結
粗結
密結合

レプリカ交換法、熱力学的積分法、
エネルギー表示法、核の量子化、・・・・・
ギ

中核 プ
中核アプリケーション

ＭＯ，ＭＤ，ＲＩＳＭ，・・・・・

ペタフロップスでの大規模高速計算、共通基盤
タプ
大規模高速計算通基盤

ナノ分野グランドチャレンジ課題
次世代ナノ情報機能・材料

次世代ナノ生体物質

次世代エネルギー

次世代ナノ統合シミュレーションソフトウェア
連携ツール

・ナノ分野グランドチャレンジをカバー
・電子・原子・分子から出発した最先端の理論・方法論
分 計算科学 学術基盤
成 ・高度並列化アルゴリズム、ソフトウェア
高度並
ゴ ズ
ウ
GIANT, IGNITION ・ナノ分野計算科学の学術基盤の形成
・任意のソフトの任意な結合・連成

フェイズ・フィールド法

量子非線形応答

熱力学的積分法

自由エネルギー
ギ

化学反応

量子伝導

強相関効果

量子古典混合近似

エネルギー表示法

フラグメントＭＯ法

非平衡状態

経路積分法

自己組織化

粗視化モデル
粗視化
デ非断熱遷移オーダーＮ量子モンテカルロ法

拡張アンサンブル法

分子認識

励起状態

密度汎関数法

厳密対角化法モンテカルロ法

溶媒効果

相対論的CI計算

実空間第一原理
ナノ物質シミュレータ

動的密度行列繰り込み群法

高並列
汎用分子動力学
シミュレーションソフト

RISM/3D-RISM

高速量子化学
計算ソフト

中核アプリケーション

方法論開発・超並列化によりペタフロップス級性能を実現

14

中核アプリケーションの開発

中核アプリ
ケーション名

開発者

高並列汎用
分子動力学
シミュレーション 岡崎 進ソフト
（modylas）

高速量子化学
計算ソフト

概要

任意の分子集合体に対する高並列汎用分子動力学シミュレーションソフト。長距離力を含めてナノ分
野 バイオ分野における分子動力学計算に必要な野、バイオ分野における分子動力学計算に必要な計算手法のほとんどを備えている。IGNITIONと連携。１０００万原子系の巨大システムや自由エネルギ 計算にも対応しているギー計算にも対応している。

電子状態を正しく記述するための電子相関を取り
永瀬 茂 組んだ大規模量子化学並列計算を精度高く高速に実行できるようにする。超巨大分子の量子化学
北浦和夫 計算を実現するために、FMO法の高速並列化と分計算を実現するた、
法 高速並列化 分子力学との融合法を開発する。
11高並列汎用分子動力学計算ソフトウェア
長距離相互作用・ Ｅｗａｌｄ，ＰＭＥ，ＦＭＭ
アンサンブル・ ＮＶＥ，ＮＶＴ，ＮＰＴ（Andersen）、ＮＰＴ（Parrinello-Rahman）
拘束の動力学・ ＳＨＡＫＥ／ＲＯＬＬ，ＲＡＴＴＬＥ／ＲＯＬＬ
時間発展・ ＲＥＳＰＡ
完全領域分割化前の並列性能
・ ＰＭＥ法法 ：
１００万原子００万原子
・ Ｔｒｅｅ法 ： １０００万原子２秒／ステップ秒／ステップ ３
３ＴＦｌｏｐｓｏｐｓ
２０秒／ステップ ５ＴＦｌｏｐｓ

中核アプリケーションの開発
高並列汎用分子動力学シミュレーションソフト modylas
周期境界条件下でク ロン相互作用する
周期境界条件下でクーロン相互作用する
１０００万原子系

超並列化
・完全領域分割化
・多階層分割EFx
FyFz

長距離相互作用・多極子展開＋局所展開
・周期境界条件
周期境界条件多極子展開
多極子展開ii
××Qi = ∑ qss∈iμi = ∑ qs rss∈i多極子展開

直接計算
４次の展開
193.6764094
193.7108453-143.7394333 -143.7342751
146.0905663
146.1713584
88.5214983
88.5136255
3～4桁Θ i = ∑ qs rs rss∈i・・・+×

８次の展開
193.6762809-143.7394788
146.0904805
88.5214828
5～6桁×
局所展開
局所展開×ＩＧＮＩＴＩＯＮＰＤＢデータベース（タンパク質、ＤＮＡ等）
水素原子、Ｓ-Ｓ結合の自動指定、手動指定
Ｎ末端、Ｃ末端、イオン等の指定

初期入力データの生成
ＰＤＢ形式、Ｍｏｌ Ｆｉｌｅ形式 に従った
任意の分子情報の半自動生成
可視化ＧＵＩ
視化

力場内での原子種名、結合情報の指定
分子の任意の複製、結合による 系の構成

原子名を力場内での原子種名に自動変換
換
結合情報の自動生成

ＣＣＳＬ（ＩＣＳＤ）形式の結晶データベース

リガンド等の配置
タンパク質、ＤＮＡへの 水、有機分子、イオン等
溶媒の配置
分子の手動並進、回転重なり合いの自動回避
力場パラメ タの自動設定
力場パラメータの自動設定

エネルギーの最小化
指定した形式、標準データ形式での入力用ファイルの出力

デモ

可視化ツールと連動したＧＵＩ

ナノ分野グランドチャレンジの構造化 ～応用分野～
ナノテクノロジー・材料分野

次世代ナノ統合シミュレーションの重点対象領域

材料領域 【エネルギー問題の克服】

バイオマス利活用領域

ナノテクノロジー・材料分野
推進基盤領域

燃料電池

光触媒（太陽電池）

水素吸蔵

スーパー
ス
パキャパシタ分子エレクトロニクス

フレクシブルディスプレイ

ナノバイオテクノロジー・
生体材料領域
金属触媒

半導体レーザー
半導体レザ
量子コン
ピュータ
電界電子放出ディスプレイ

高感度有害物質センサー

材料領域 【産業競争力の維持強化】【産業競争力 維持強化】

ナノワイヤー

ナノコンポジット素子

エタノ ル燃料
エタノール燃料（バイオマス利用）

高機能イオンバッテリー

ナノエレクトロニクス領域
単電子
デバイス

環境分野

フォトニック結晶
光通信
材料

ナノメタル・ナノ合金

ナノセラ
ミックス

ナノガラス

機能調和人工格子

有機半導体ナノサイエンス 物質科学領域
ナノサイエンス・物質科学領域
超高密度記憶- メモリ- ディスク光スイッチ

新規炭素系材料(ﾌﾗｰﾚﾝ、ｶｰﾎﾞﾝﾅﾉﾁｭｰﾌﾞ等)

次世代LSI

バイオ
センサー

タンパク質阻害剤
イメージング

無副作用
抗がん剤

ＤＤＳ

生体分子
分析チップ

再生医療

創薬

ナノバーコードタンパク質機能バイオ・マテリアル

細胞膜
ウイルス

ナノ複合材料
DNAコンピュータ1酵素反応の全電子計算
５６００原子系＋溶媒系の全電子計算
（ＦＭＯ）

京大・北浦
京大
北浦

domain 2

domain 1

活性部位

酵素触媒反応の反応機構
反応物、生成物、遷移状態

domain 3

コリスメートミュターゼとその触媒 応
触媒反応
遷移状態(TS)を安定化するアミノ酸残基

リポソームの全原子シミュレーション
１００万原子系のＭＤ計算

分子研・岡崎・最も単純な細胞モデル
・ドラッグデリバリの薬剤担持22 nm

次世代生命体、次世代エネルギーとの連携、協力
生命体を構成するナノ物質のシミュレーションを可能とする方法論の確立
生体物質を物質として理解する ←分子科学

生命現象の解明、テーラーメード医療に興味を置いた
次世代生命体シミュレーションのナノ基盤の構築
次世代エネルギー
酵素反応
薄膜

次世代ナノ生体物質

次世代生命体タンパク質の高度なシミュレーション方法論
相互作用、溶媒効果
拡張アンサンブル 核の量子化
拡張アンサンブル、核の量子化

基礎方法論の提供
様々なタンパク質創薬
生理機能ウイルスカプシド
リポソーム、ミセル
ポ
細胞膜

ウイルスの粗視化ド
ドラッグデリバリ
グデ バ
細胞スケール（１） タンパク質高度シミュレーション新規方法論の開発

木下グループの研究

拡張アンサンブル法

名大・岡本
名大
岡本

バクテリオロドプシンの折れ
折れたたみ構造
み構造

自然構造

創薬設計へ
リガンド結合の自由エネルギー
リガンド結合の自由ネルギ
計算に拡張アンサンブル法を適用

RMSD 4.8 Å(all Cα)

計算

Ｒｅｐｌｉｃａ １４

（１） タンパク質高度シミュレーション新規方法論の開発

木下グループの研究

蛋白質折り畳み機構の分子論的解明
Folding

京大・木下京大
木下・積分方程式論
積分方程式論・形態熱力学理論

独自の自由エネルギー関数を構築↓↓↓○ 数多くの候補立体構造の中から、ベストなもの（自由エネルギー関数最低の立体構造）を選び出す強力な方法を開発○ １０種類の蛋白質に対し、約１０００通りの立体構造の中から天然構造を射当てることに成功

バイオインフォマティクスの手法と統合 ⇒アミノ酸配列から立体構造を予測できるツールの開発

（３） ウイルスの分子科学

ウイルスの全原子シミュレーション
小児麻痺ウイルス
リンゴ病ウイルス

分子研・岡崎1,000万原子系の分子動力学計算
1,000万原子系の分子動力学計算

現状

1マイクロ秒に５００年：解析不可能（（５テラフロップス）
プ ）
完全領域分割化
多階層分割
多極子展開法小児麻痺ウイルスのカプシド
タンパク質でできたウイルスの殻

１０００万原子系の分子動力学計算
セル多極子展開法による長距離相互作用の評価

次世代スパコン
次世代スパン
自由エネルギーレベルでの長時間ダイナミクスの解析を実現

カプシドタンパク質間の接合構造と熱運動、安定性
構造のｐＨ依存性、化学物質との相互作用
環境依存性、脂質膜、タンパク質との相互作用など
自由エネルギーレベルでの相互作用、自己組織化、動的な振るまいをシミュレートできる方法論の開発
10ペタフロップス級の高性能計算機を用いた大規模シミュレーションにより、水中のウイルス構造やその動作を解析、ウイルスの感染機構や免疫機構を解明の基礎を確立 18

（４） がん細胞膜の分子科学と膜融合
分子研・安藤、吉井、岡崎
細胞膜の構造ゆらぎと膜間相互作用（５）ナノ生体物質輸送
ミセル生成とミセルによる物質の取り込み、輸送
平面膜

リポソ ム ミセルによる薬剤の担持
リポソーム、ミセルによる薬剤の担持
純膜 DPPC等
正常細胞膜・脂質混合系
・コレステロ ル・コレステロール
がん細胞膜

Drug

・吸収・自由エネルギー
リポソームと細胞膜の相互作用

リポソーム

・膜融合
・自由エネルギー

22 nm

（４） がん細胞膜の分子科学と膜融合

がん発現にかかわる分子スイッチの分子動力学計算 分子研
分子研・斉藤、小林斉藤、小林
GTP GDP

交換反応
加水分解

不活性型
（GDP結合結合）

活性型（GTP結合）Pi
シグナル伝達Ras-GAP結合状態
GAPを考慮した分子動力学計算、電子状態計算を用いた
RasのRasのGTP
GTP加水分解反応
加水分解反応の解析
加水分解反応がど ように進む か？
加水分解反応がどのように進むのか？
各状態のタンパク質の構造の揺らぎと歪み、反応領域の水素結合ネットワークの構造の違い、反応中間状態

Rasタンパク質の異常
肺がんの3割大腸がんの4割
膵臓がんの8割

（５） ナノ生体物質輸送

ナノスケール自己組織化構造体への分子結合 京大・中原
目的：大規模に並列化された計算機シミレーションと統計力学理論の結合による薬物の取り込みの自由エネルギー解析
特色：水とミセル・膜・蛋白質を混合溶媒と見る＝不均一混合溶媒系への溶媒和としての統一的取り扱い
基質結合（酵素・阻害剤）

自由エネルギー値によるモデル膜内外の定量化 (kcal/mol)
nanoscale structure

system
膜透過・結合（麻酔作用）

hostwaterwater

benzene in SDS-4 6-4.6-0 7-0.7070.7

halothane in DMPC

-4.4-0.80.8

methanebenzeneethylbenzene

0.6

MD計算によるSDSミセルへの薬物結合位置の同定
全原子型分子間相互作用から計算された自由エネル
ギー値に立脚した可溶化指標への提言

Ph0.4

可溶化（石鹸作用）

bulk

0.2

キーとなる分子間相互作用の明確化

0I疎水性コア
IIIII 頭部IVVVI
水領域

（５） ナノ生体物質輸送

細胞膜(脂質二重膜)における低分子の透過機構-88・本方法を用いてNaCl溶液中の脂質二重層膜を透過する小さな分子（O2,CO,NO,CO2,NH3, H2O）の自由エネ
ルギーを求め、NaClの濃度に対する自由エネルギーの変化を解析した。その結果、NaCl濃度が上がるにつれて、疎水性分子(O2,CO,NO,CO2)はバルク溶液の領域において、排除体積効果により自由エネルギーが増加するが、親水性分子(H2O, NH3)では、どの領域においても変化がないことが分かった。

CO 2μ (kcal/mol)-9-10-11-12010z(Å)

2030-140-9-1010-11-12-11102030010z(Å)

2030z(Å)-10CO

μ (kcal/mmol)

μ (kcal/mmol)-13-30 -20 -10-8NH3-1212-13-14-15-13-30 -20 -100

1020-30 -20 -1030z(Å)(Å)-8-6NO-9-10-11H 2O-8-10CIW-1212-12Overlapping-14-13-30 -20 -100

102030-20z(Å)

z0【応用分野】・ドラッグデリバリーシステム
・分子センサー-12-15-30 -20 -10μ(kcal/mol)
μ・脂質二重膜－水系のように高密度から低密度までの様々な密度領域が存在する非均一系でも高精度に低様々な密度領域が存在する非均系でも高精度に低分子の透過自由エネルギーを計算できる方法(Widom法とOverlapping法を組み合わせた方法)を開発した。

-1111O2-13μ (kcal/mol)【主要な成果】

μ (kcal/mol)

【概 】
【概要】
癌細胞の増殖を防ぐ代表的な薬剤は、細胞膜を透過し細胞質に入った後、核酸と相互作用し、その増殖作用を阻害する。このドラッグデリバリにおいて、細胞膜(脂質二重膜)における有機分子の透過機構の解明は重要な課題である。本研究では、大規模な分子動力学シミュレーションによる自由エネルギー計算を行い、この透過機構を解明する。

産総研・三上x-100z(Å)

10200M
0.1M
1M4M

図 脂質二重膜を透過する低分子の自由エネ
ルギープロファイル
ルギプロファイル

（５） ナノ生体物質輸送

電荷可変MDによるポリマー電解質のナノ構造形成
11(χ i − χ i ) − vQξ1 vQi
mQiq/evQi = −S _S O 3電荷の運動方程式（部分）Q i = vQ i

電荷の仮想質量ξQj = vQξvQξ1 =東レ・茂本構造形成 安定なナノ構造 N a+
過程 形成後＝電荷安定 H _W
C _30

F_O _R

電荷の仮想熱浴

j⎫1 ⎧
2−mv
NkT
⎨∑ Qi Qi
B ⎬ − vQξ 2 vQξ1M Qξ 1 ⎩ i =1
⎭N-1

O _S O 3
O _W

0100

tim e / pps

Fig. 電荷の時間発展

ナノ相分離構造を再現

ランダム初期構造
電荷可変MD

最適化QEq
パラメータ

Fig. Nafionのナノ構造形成

200（６） 新規ナノ生体物質の創生と利用

既知ナノ生体物質の機能メカニズム解明•細菌べん毛系
べん毛繊維の超らせん構造多型メカニズムの解明
240万原子 20ns (Kitao et al. PNAS, 2006)
べん毛フックん毛フック の分子ユの分子ユニバーサルジョイントメカニズム研究
バ サルジョイントメカ ズム研究
200万原子 数ns (Furuta et al. J Struct Biol, 2007)
べん毛輸送装置の機能研究＞20万原子＞万原子 数百数百ns

べん毛ポリフック•Gap Compression/Extension Mechanism （べん毛フック）

T4ファージ
感染初期過程の感染初期過程のｇｐ５細胞貫通シミュレーション
細胞貫通シミシ＞100万原子 数十ns

東大・北尾
東大
北尾

べん毛繊維

Transform and Relax Mechanism （べん毛繊維）

次世代ナノ統合シミュレーションソフトウェアの研究開発（俯瞰図）
次世代ナノ情報機能・材料

次世代エネルギー
次世代
ネルギ

非線形光学素子
ナノ量子デバイス
スピンエレクトロニクス
超高密度記録デバイス
複合電子デバイス
Fe--PdFe
100nm

医療・創薬・DDS

次世代ナノ生体物質
ウイルス
抗がん剤
タンパク質制御
DDSナノプロセス

at c=0.5
T=1020K→ 820K

複合系
ﾌｪｰｽﾞﾌｨｰﾙﾄﾞ法

ナノ組織化材料
27 nm

0.1～10 m/s

サブミクロンスケール
サブミクロンスケ
ルのトラクションのＭＤ

Ｎａｆｉｏｎ膜のメソスケール構造(DPD)

準巨視系
RISM

ポリオウイルス

べん毛繊維

DPD
FEM

自己組織化磁性ナノドット

MD
Ｎａｆｉｏｎ膜のＭＤ

オービトン
(軌道波)

ドメイン

ミセル
シリコンの一次元結
晶

リゾチームの空洞内の水分子

フラーレンやカーボンナノチューブのドーピング

MO

RMSD 4.8 Å(all Cα)タンパク質の折れ畳み構造

固体電子論

分子集合体

脂質膜

“on”

light
light
光スイッチ
light

セルラーゼ

複合系電子伝導

強磁性ハーフメタル

電子

15nm

Water

16.70

3.59

5nm

量子ﾓﾝﾃｶﾙﾛ
DFT

“off”

Nafion46 nm

t ′ = 0.01

固体

太陽エネルギー固定
アルコール燃料
燃料電池
電気エネルギー保存

1 GPa

分子動力学

自己集合カプセル化

量子化学

電子・分子13