“Dynamical Ordering & Integrated Functions”
Newsletter Vol. 9
May, 2014
業績紹介：水溶媒中で自己集合したナノキューブに対する分子動力学シミュレー
ションおよび主成分解析"Molecular Dynamics and Principal Component Analysis for a Self-assembled Nanocube in
Aqueous Solution"
Takako Mashiko, Kenta Yamada, Tatsuo Kojima,
Shuichi Hiraoka, Umpei Nagashima, and Masanori Tachikawa
Chem. Lett. 43, 366-368 (2014) DOI: 10.1246/cl. 130928

立川仁典（横浜市立大学大学院 生命ナノシステム科学研究科
・A01 公募研究代表者）
平岡秀一（東京大学大学院 総合文化研究科
・A02 計画研究代表者）
生命現象の理解には、分子が自発的に集まる自己集
合に関する理解が不可欠である。立川グループおよび
平岡グループでは、実験および計算機シミュレーショ
ンを駆使し、自己集合機構を分子論的に解明することを目的としている。これまでに平岡グループでは図 1に示すヘキサフェニルベンゼン骨格に 3 つの 3-ピリジ
ル基と 3 つのメチル基を持つ歯車状両親媒性分子 1 が25%含水メタノール混合溶媒中で自己集合体 16(ナノキューブ)を形成することを見出している[1]。一方、分子 1 のメチル基を水素の置き換えた分子 2 では、同様の溶媒中で自己集合化しないことも報告している。このように、置換基のわずかな違いで自己集合の有無が制御されているわけだが、その機構に関しては十分に理解されていない。

ポ テ ン シ ャ ル に 基 づ い た Restrained Electrostatic
Potential 電荷を使用し、周囲に水溶媒分子を配置した。
周期境界条件のもと 300 K における MD 計算を実行した。溶媒分子の効果や置換基の違いを議論するために、
主成分解析も行った。
水溶媒中における 16 および 26 に対する主成分解析の最低固有値の揺らぎ(固有ベクトル)を図 2 に示す。
最低固有値に着目することにより、MD シミュレー
ションにおける最も支配的な揺らぎを理解することができる。図 2 より、16 における 3-ピリジル基の三重ス
タッキングとメチル基の揺らぎよりも、26 における三重スタッキングと水素原子の揺らぎの方が大きいことが明らかとなった。これは、16 における分子間のメチ
ル基間の噛み合いが 26 における水素原子間の噛み合
いよりも強いためであると考えられる。

図 2：16 と 26 に対する主成分分析で得られた最も振動数の低いモード. 赤で示したものが 3-ピリジル基, シ
アンで示したものが 16 ではメチル基, 26 では水素原子である.

図 1：ナノキューブ (1: R = CH3, 2: R = H) の形成.
そこで本研究においては、分子動力学(MD)シミュ
レーションおよび主成分解析により、図 1 に示す歯車
状両親媒性分子 1 および 2 から形成されるナノキュー
ブの 安定性を議 論した。 ナノキ ューブに関 してはGeneralized Amber Force Field (GAFF) 力場、水溶媒には SPC/E 力場を、電荷は HF/6-31G(d)計算による静電以上の結果から、置換基間の噛み合いが 3-ピリジル
基の三重スタッキングにも影響を及ぼし、26 では 16 に比べて揺らぎが大きくなることが明らかとなった。現
在、実験と同一条件である 25%含水メタノール溶媒中におけるシミュレーションを進行中である。なお、本研究は立川グループによって主導的に行われた研究成果である。
References:[1] S. Hiraoka, K. Harano, M. Shiro, M. Shionoya, J.
Am. Chem. Soc., 2008, 130 (44), 14368-14369.
[2] J. Koseki, Y. Kita, S. Hiraoka, U. Nagashima, M.
Tachikawa, Theor. Chem. Acc., 2011, 130,1055-1059.

1

“Dynamical Ordering & Integrated Functions”
Newsletter Vol. 9
May, 2014
業績紹介：人工蛍光蛋白質で生じる分子内励起状態プロトン移動"Excited-State Proton Transfer in Fluorescent Photoactive Yellow Protein
Containing 7-Hydroxycoumarin"
Dian Novitasari, Hironari Kamikubo, Yoichi Yamazaki, Mariko Yamaguchi, and Mikio Kataoka
Advanced Materials Research 896, 85-88 (2014) DOI:10.4028/www.scientific.net/AMR.896.85

上久保裕生(奈良先端科学技術大学院大学
物質創成科学研究科
・A01 計画研究代表者）

PYP では異性化反応が高効率で生じるため、ほとんど
蛍光は観測されない。我々は、trans 型に Lock した発色団に置換し、水素結合ネットワークを保持した PYP（図 1 右）を作製することによって励起状態プロトン移動を伴う蛍光発光が再現できると考え検証した。

情報伝達カスケードに関わる蛋白質群は、常時、集合離散を繰り返し、この集合離散こそが情報伝達の素過程であるといえる。我々は、光情報伝達系に関わる蛋白質群として、紅色光合成細菌由来の Photoactive
Yellow Protein（PYP）とその相互作用蛋白質で生じる
集合離散現象の解析を進めている。この集合離散の制
御には高次構造転移が関与しており、この構造転移には分子内プロトン移動が重要な役割を担っていることを明らかにしてきた。本研究では、PYP が高次構造転移に利用するプロトン移動反応を蛋白質工学的に応用することで、人工蛍光性蛋白質の開発を試みた。

図 2: trans-lock 型発色団を導入した PYP の蛍光特性
図 2(a)は、発色団が脱プロトン化した PYP とプロトン化した PYP の 444nm 励起の蛍光スペクトル（1 および 3）と 468nm でモニターした励起スペクトル（2 および 4）を示している。励起スペクトル 4 から、短波長領域（350nm）に吸収体を有しているにもかかわらず、
468nm 領域に非常に強い発光を示すことがわかる。
発色団がプロトン化した PYP の 350nm 励起の蛍光ス

図 1 : PYP の発色団近傍の構造（左）。trans-lock 体のペクトル 1 と基底状態で脱プロトン化した PYP の蛍発色団を導入した際の構造（右）。

光スペクトル 2 を比較したところ、その極大波長はよ

図 1 左に PYP の発色団近傍（pCA）の構造を示してく一致しており、励起状態でプロトンの解離反応、すいる。天然では pCA と E46 の間の水素結合でプロト

なわち、励起状態プロトン移動反応由来のストークス

ン移動が生じ、それが高次構造転移を誘導する。一方

シフトが生じていることが明らかとなった。本研究をで、代表的な蛍光蛋白質 GFP、非常に大きなストーク

通じ、GFP に匹敵するストークスシフトを示す蛍光性

スシフトことが知られており、このストークスシフト

蛋白質の開発に成功したと同時に、蛋白質分子内の水には励起状態で生じる蛋白質内プロトン移動反応が関

素結合ネットワークの励起状態プロトン移動反応への与することが示唆されている。ストークスシフトに関与を示す知見が得られた。

よって、吸収波長と蛍光波長が大きく異なる蛍光性蛋
白質はバイオテクノロジー分野での利用価値が高く、様々な蛋白質工学的応用が報告されている。天然の2

“Dynamical Ordering & Integrated Functions”
Newsletter Vol. 9
May, 2014
業績紹介：配位結合を活用した M12 L24 球状錯体の自己組織化：自己組織化過程において捕捉された中間構造"Coordination-Directed Self-Assembly of M12L24 Nanocage: Eﬀects of Kinetic Trapping on the
Assembly Process"
Makoto Yoneya, Seiji Tsuzuki, Tomohiko Yamaguchi, Sota Sato, and Makoto Fujita
ACS Nano, 8, 1290–1296 (2014)佐藤宗太（東北大学 原子分子材料科学
高等研究機構（WPI-AIMR）
・A02 計画研究代表者）

DOI: 10.1021/nn404595j

は、目に見える形で自己組織化が進む様子を追跡できる魅力的な手法である。計算手法は数多くあるが、複雑かつ大きな分子システムの経時変化を予測するためには、分子動力学(MD)法が有効であることがわかった。
計算を解析した結果、100 ns 以下の初期過程において

自然界にみいだされる、ウイルスの球殻構造などのは速やかに配位結合が生成することがわかり、その後、自己組織化に触発されて、合成化学の分野でも、巨大500 ns 程度のタイムスケールで、M12L24 球状錯体へとかつ構造が厳密に定まった分子を多成分からなる自己構造収束していくことがわかった（図１）。このような

組織化によって合成しようとする試みがなされてきて異なるタイムスケールで段階的に自己組織化が進行すいる。我々の研究グループでは、遷移金属イオンと有ることは、実験的にもわかっており（J. Am. Chem. Soc.

機分子との間に形成される配位結合を使った自己組織

2009, 131, 6064）、MD 法が錯体合成の反応系を正しく化を先駆的に報告してきており、Pd(II)イオンなどの予測できていることがわかった。

平面四配位性の遷移金属イオン(M: metal ion)と、配さらに、中間体となる構造を詳細に解析したところ、

位サイトを二つ有する二座の有機配位子(L: ligand)

M6L12，M8L16、および M9L18 という MnL2n 組成の構造生成がとを出発物質として MnL2n 組成の錯体分子を自己組織予測されたことがわかった。これらの中間体において化合成できることを示してきた。一例として、n = 12

は、遷移金属イオンや配位子の配位サイトが全て使わに相当する M12L24 球状錯体は、配位子の構造に応じてれて、結合の「手」が余っていない構造であり、それその直径は 3 から 10 ナノメートルにも及び、厳密な故に無数といえるほど考えうる中間体構造の中から選構造をもつ合成分子の中では世界最大級に大きい。ま択的に、これらの構造が生成すると考えられる。最近、た、中空という特異な構造を有し、錯体内外の化学修

実験的にもこれらの中間体の姿を捉えられてきており、飾も容易であるために、これまでに有機分子や生体分理論と実験の両アプローチを併用することで、次第に子の錯体内への包接や、錯体の無機基板への高密度接自己組織化の動的な機構が明らかになりつつある。

着など、さまざまな応用を示してきた。
今回、この M12L24 球状錯体がどのように自己組織化するのか、その機構に興味をもち検討を行った。多成分の自己組織化においては、生成物に至る反応は平衡系であり、多段階かつ複数の経路が考えられる。また、中間体と生成物の構造には類似点が多いために、通常は分子構造を明瞭に解析できる分光学的な手法を用いても、中間体構造を明らかにすることは容易ではない。
このような事情から、自己組織化の機構解明に迫った研究はごく限られている。理論化学によるアプローチ

図１：36 成分からなる球状錯体が自己組織化していく
過程を、MD 計算によって予測し、時間軸 t(ns)に沿って構造が収束していく様相が明らかになった。

3

“Dynamical Ordering & Integrated Functions”
Newsletter Vol. 9
May, 2014
国際会議開催報告“IGER International Symposium on Science of Molecular Assembly and
Biomolecular Systems 2014”
Nagoya University, March 12-13, 2014
“Nagoya Symposium on Depletion Forces: Celebrating the60th Anniversary of the Asakura-Oosawa Theory”
Nagoya University, March 14-15, 2014岡本祐幸
（名古屋大学 大学院理学研究科
・A03 計画研究代表者）
3 月 12,13 日に名古屋大学坂田・平田ホールで”IGER
International Symposium on Science of Molecular
Assembly and Biomolecular Systems 2014”、そして3 月 14，15 日に名古屋大学野依記念学術交流館と坂田・平田ホールで“Nagoya Symposium on Depletion

IGER2014 での Bernard Brooks 氏

Forces: Celebrating the 60th Anniversary of the
Asakura-Oosawa Theory”を続けて開催しました。
（以
下前者を IGER2014、後者を AO60 と略称することにします。
）

IGER2014 は本科研費と名大の博士課程教育リー
ディングプログラム「グリーン自然科学国際教育研究
プログラム」との共催でした。
招待講演者は、Bernard BROOKS (NIH， USA)、石田憲二（京都大学）、賀川史敬（理研）、Werner KRAUTH (ENS，

IGER2014 での Srikanth Sastry 氏France)、Christos LIKOS (University of Vienna，Austria)、Eran RABANI (Tel Aviv University，Israel)、
Srikanth SASTRY (Tata Institute of Fundamental
Research， India)、John STRAUB (Boston University，
USA)、Remco TUINIER (University of Utrecht， The
Netherlands)の各氏でした。参加登録者の数は約 90名でした。
本会議は、物性物理学と生物物理学の研究者を一同に集め、幅広い分野間の交流を促すことを目的としています。大学院生の積極的な発表も促されました。

IGER2014 での John Straub 氏

4

“Dynamical Ordering & Integrated Functions”
Newsletter Vol. 9
May, 2014

IGER2014 での Remco Tuinier 氏

AO60 の１日目の会場の様子の各氏でした。参加登録者の数は約 100 名でした。
本年は、Journal of Chemical Physics 誌に発表された論文（朝倉・大澤理論）の 60 周年に当たります（S.
Asakura and F. Oosawa, Journal of Chemical Physics
22, 1255-1256 (1954)）。本会議はこれを祝うために開催されました。
IGER2014 での Christos Likos 氏

朝倉・大澤理論は、元々、コロイド粒子間に、実効AO60 は本科研費と名大博士課程教育リーディング

的に引力（現在では、depletion force と呼ばれるこプログラム及び名大国際会議助成金との共催でした。

とが多いです）が働くことを示したものであり、1954

招待講演者は、大澤文夫、朝倉昌、木下正弘（京都

年に、名大理学部物理学科の朝倉昌氏と大澤文夫氏に大学）、秋山良（九州大学）、Bernard BROOKS、Daan

よって初めて示されました。朝倉・大澤理論はその後、

FRENKEL (University of Cambridge ， UK) 、 Werner

コロイド以外でも、様々な物理現象に適用されて、細KRAUTH、Christos LIKOS、John STRAUB、Remco TUINIER

胞内のタンパク質分子の混み合い問題から界面科学などにおいて近年特に注目を集めるようになっています。

朝
倉
・
大
澤
理
論
の
論
文
の
被
引
用
数
の
経
年
変
化

5

“Dynamical Ordering & Integrated Functions”
Newsletter Vol. 9
May, 2014
この論文の 2014 年 4 月 27 日現在の Web of Scienceの被引用数は、1546 回にも上りますが、実は、上の図からも分かるように、最初の 30 年近くは、誰も見向きもしなかった程、非常に時代の先を行っていた研究でした。
AO60 では、参加されなかった２人の米国人（Donald
Caspar 氏と Harold Scheraga 氏）から祝 e-mail が届
けられ、会議中に披露されました。すばらしい講演が多く、盛り上がりましたが、特に、91 歳の大澤氏の初日の 2 時間余りに及ぶ大講演が感動的でした。そして、大澤氏は 2 日目にも急遽、一言追加でしゃべりたいと言われ、結局、約 30 分間、更に講演されました。その時、若い人へ贈る言葉として、「これまでの研究では、分子の立体構造を決めることに力がそそがれてきましAO60 の集合写真

たが、これからは、状態が重要です。
」（「構造から状態
へ」）とおっしゃって、講演を締めくくられました。

AO60 で 2 時間余に及ぶ講演中の大澤文夫氏

AO60 での大澤文夫氏（左）と朝倉昌氏（右）AO60 でのポスター発表の様子

6

“Dynamical Ordering & Integrated Functions”
Newsletter Vol. 9
May, 2014
PROGRAM

Samarium-sulfide”
15:10 -15:30 (Coffee break)

IGER International Symposium on Science ofChair: Hiroki Taniguchi

Molecular Assembly and Biomolecular Systems

15:30-16:20 (Invited talk 5) STRAUB, John (Boston
University, USA)2014

“Probing the principles of protein
March 12th (Wed)

Sakata-Hirata Hall

aggregation”
16:20-17:10 (Invited talk 6) KAGAWA, Fumitaka

08:40-09:00

Registration(RIKEN, Japan)

09:00-09:10

Opening Address (SATO, Noriaki)“Strongly correlated electrons in

Chair:

molecular solids”

Kunimasa Miyazaki

09:10-10:00(Invited talk 1)

TUINIER, Remco

18:00~20:00 Banquet at “UNIVERSAL CLUB”(University of Utrecht, the Netherlands)“Controlled particle formation for drug

March 13th (Thu)

Sakata-Hirata Hall

encapsulation”
10:00-10:20 (Contributed talk 1) YAMAKAWA,

Chair: Tetsuro Konishi

Youichi (S Lab)

09:00-10:00 Poster Flash Talks 1 (P001~P027)“Orbital fluctuation theory in Fe-based

10:00-10:10 (Coffee break)superconductors”

10:10-11:00 Poster Flash Talks 2 (P028~P054)

10:20-10:40 (Coffee break)

11:00-14:00 Poster Session

Chair: Masayuki Ito

12:30-14:00 (Lunch)

10:40-11:30 (Invited talk 2) RABANI, Eran (Tel Aviv

Chair: Tsutomu Kouyama

University, Israel)

14:00-14:50 (Invited talk 7) KRAUTH, Werner (ENS,“Multiexciton generation in nanocrystals

France)and nanorods”“Hard spheres: from molecular dynamics

11:30-11:50 (Contributed talk 2) TAKEDA, Hikaru(I Lab)“Pressure effect on magnetism of theto the Monte Carlo method, and to thefoundations of statistical mechanics”
14:50-15:40 (Invited talk 8) SASTRY, Srikanth

heavy fermion spinel oxideLiV2O4(TIFR , India)

probed by 7Li i and 51V NMR”

“Structural relaxation and correlation

11:50-13:10 (Lunch)
Chair: Noriaki K. Sato
13:10-14:00 (Invited talk 3) BROOKS, Bernard (NIH,

length scales in glass forming liquids andglasses”
15:40-16:00 (Coffee break)USA)

Chair: Hiroshi Kohno“Employing Multiscale Modeling,

16:00-16:20 (Contributed talk 4) ASAI, Shinichiro (VEnhanced Sampling, and Replica
Exchange Methods for Problems in
Structural Biology and Biophysics”
14:00-14:50 (Invited talk 4) ISHIDA, Kenji (Kyoto

Lab)“Anomalous non-magnetic-ion substitution
effect for perovskite oxide LaCoO3”
16:20-17:10 (Invited talk 9) LIKOS, Christos

University, Japan)(University of Vienna, Austria)“Nuclear magnetic resonance studies on“Influence of fluctuating membranes on

ferromagnetic superconductor UCoGe”

the self-assembly of viral capsids and

14:50-15:10 (Contributed talk 3) IMURA, Keiichiro (MLab)

clathrin”
17:10-17:20 Closing Remarks (MIYAZAKI, Kunimasa)“Excitonic instability in the vicinity of
insulator to metal transition of7

“Dynamical Ordering & Integrated Functions”
Newsletter Vol. 9
May, 2014
PROGRAM

March 15th (Sat)

Sakata-Hirata Hall

09:00-09:20 (Contributed talk 3) INOUE, Masao
Nagoya Symposium on Depletion Forces:(Kyushu University, Japan)

Celebrating the 60th Anniversary“Depletion effects on dynamics inof the Asakura-Oosawa Theory

microrheology”
09:20-10:10 (Invited talk 7) BROOKS, Bernard (NIH,

March 14th (Fri)Noyori Conference Center

USA)“Recent advances in hybrid
quantum-chemical approaches for free

09:00-10:00 Registrationenergy simulations and constant pH

10:00-10:15 Opening Address (OKAMOTO, Yuko)

simulations”

10:15-11:15 (Invited talk 1) OOSAWA, Fumio

10:10-10:30 (Coffee break)

11:15-12:15 (Invited talk 2) ASAKURA, Sho

10:30-11:20 (Invited talk 8) FRENKEL, Daan

12:15-13:50 (Lunch)(University of Cambridge, UK)

13:50-14:40 (Invited talk 3) TUINIER, Remco“Entropy, order and disorder”(University of Utrecht, The Netherlands)“Colloids and the depletion interaction.
History and recent developments”
14:40-15:30 (Invited talk 4) KINOSHITA, Masahiro(Kyoto University, Japan)“Crucial importance of translational

11:20-12:10 (Invited talk 9) LIKOS, Christos(University of Vienna, Austria)“Depletion forces on soft colloids”
12:10-13:00 (Lunch)
13:00-15:00 Poster Presentations
15:00-15:50 (Invited talk 10) AKIYAMA, Ryo (Kyushu

displacement of water molecules in

University, Japan)

biological self-assembly”“Pressure or osmotic pressure:

15:30-16:00 (Coffee break)
16:00-16:50 (Invited talk 5) KRAUTH, Werner (ENS,France)“Depletion forces and Monte Carloalgorithms in one-, twoand
three-dimensional hard spheres”
16:50-17:40 (Invited talk 6) STRAUB, John (Boston
University, USA)
“Probing the principles of protein
aggregation”

difficulties in observations”
15:50-16:10 (Contributed talk 4) UEMATSU, Yuki
(Kyoto University, Japan)“Electro-osmotic flow of semidilutepolyelectrolyte solutions”
16:10-16:30 (Contributed talk 5) WASHIZU, Hitoshi(Toyota Central R&D Labs, Japan)“Counterion condensation and dynamics
of charged macromolecules”
16:30-16:50 (Contributed talk 6) HARANO, Yuichi

17:40-18:00 (Contributed talk 1) NAKAMURA, Yuka

(Osaka University, Japan)(Kyushu University, Japan)“Thermodynamic analysis on“Depletion effects on diffusion in a binary
hard sphere mixture”
18:00-18:20 (Contributed talk 2) BUTKO, Peter(Nagoya University, Japan)“Water and the biomolecular structureself-assembly and folding of proteins
by using all-atom model”
16:50-17:00 Closing Remarks (MIYAZAKI,
Kunimasa)

and function: the case of the enzyme
hexokinase”
19:00~20:30 Banquet at Hotel “Rubura Ohzan”

8