所属
大学院理学研究科 理学専攻 物理学第一 助教
大学院担当
大学院理学研究科
学部担当
理学部
職名
助教
キムラ アキヒロ
木村 明洋
KIMURA, Akihiro
学位 1
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理学博士 （ 2001年3月 名古屋大学 ）
研究キーワード 1
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励起エネルギー移動
研究分野 2
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その他 / その他 / 生物物理・化学物理
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自然科学一般 / 生物物理、化学物理、ソフトマターの物理
経歴 4
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三重大学 非常勤講師
2017年10月 - 現在
国名：日本国
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名古屋大学大学院理学研究科助教（物質理学専攻）
2007年4月 - 現在
国名：日本国
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名古屋大学大学院理学研究科助手（物質理学専攻）
2002年4月 - 2007年3月
国名：日本国
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科学技術振興事業団 計算科学技術研究員
2001年4月 - 2001年9月
国名：日本国
学歴 2
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名古屋大学 理学研究科
1996年4月 - 2001年3月
国名： 日本国
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京都産業大学 理学部
1992年4月 - 1996年3月
国名： 日本国
所属学協会 5
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日本植物生理学会
2023年1月
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日本光合成学会
2019年5月
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日本生物物理学会
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日本物理学会
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アメリカ化学会
委員歴 5
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日本生物物理学会 専門分野別委員
2024年1月 - 2024年12月
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日本生物物理学会 第６１回 日本生物物理学会年会 実行委員会
2022年4月 - 2023年11月
実行委員
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日本物理学会領域１２運営委員 運営委員
2019年10月 - 2020年9月
団体区分：学協会
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日本生物物理学会第50回年会 実行委員会 実行委員
2012年5月 - 2012年9月
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日本生物物理学会 専門分野別委員
2012年1月 - 2013年12月
論文 28
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Key Chlorophyll a Molecules in the Uphill Energy Transfer from Chlorophyll f to P700 in Far-Red Light-Adapted Photosystem I 査読有り
Yuka Nakamura, Mikihito Okochi, Shigeru Itoh, Akihiro Kimura
The Journal of Physical Chemistry B 2025年1月
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Kimura, A
JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS 161 巻 ( 12 ) 頁： 124102 2024年9月
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Kimura, A; Kitoh-Nishioka, H; Kondo, T; Oh-oka, H; Itoh, S; Azai, C
JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B 128 巻 ( 3 ) 頁： 731 - 743 2024年1月
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Polarizable Molecular Block Model: Toward the Development of an Induced Dipole Force Field for DNA 査読有り
Nakagawa, S; Kimura, A; Okamoto, Y
JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B 126 巻 ( 50 ) 頁： 10646 - 10661 2022年12月
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Kimura, A; Kitoh-Nishioka, H; Aota, T; Hamaguchi, T; Yonekura, K; Kawakami, K; Shinzawa-Itoh, K; Inoue-Kashino, N; Ifuku, K; Yamashita, E; Kashino, Y; Itoh, S
JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B 126 巻 ( 22 ) 頁： 4009 - 4021 2022年6月
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Kimura, A; Kitoh-Nishioka, H; Shigeta, Y; Itoh, S
JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B 125 巻 ( 15 ) 頁： 3727 - 3738 2021年4月
-
Kitoh-Nishioka, H; Shigeta, Y; Itoh, S; Kimura, A
JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B 124 巻 ( 2 ) 頁： 389 - 403 2020年1月
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Kimura, A; Itoh, S
JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B 122 巻 ( 50 ) 頁： 11852 - 11859 2018年12月
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Time-dependent renormalized Redfield theory II for off-diagonal transition in reduced density matrix 査読有り
Akihiro Kimura
Chemical Physics Letters 661 巻 頁： 70 2016年8月
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Time-dependent renormalized Redfield theory 査読有り
Akihiro Kimura
Chemical Physics Letters 645 巻 頁： 123 2015年12月
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Assignment of Exciton Domain in Light Harvesting Systems Based on the Variational Polaron Approach 査読有り
Yuta Fujihashi, and Akihiro Kimura
The Journal of Physical Chemistry B 119 巻 頁： 8349-8356 2015年6月
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Quantitative correction of the rate constant in the improved variational master equation for excitation energy transfer 査読有り
Akihiro Kimura, Yuta Fujihashi
The Journal of Chemical Physics 141 巻 頁： 194110 2014年11月
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Improved Variational Master Equation Theory for the Excitation Energy Transfer 査読有り
Yuta Fujihashi, and Akihiro Kimura
Journal of the Physical Society of Japan 83 巻 ( 1 ) 頁： 014801 2014年1月
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*General theory of excitation energy transfer in donor-mediator-acceptor systems 査読有り
Akihiro Kimura
The Journal of Chemical Physics 130 巻 頁： 154103 2009年4月
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*Advanced Theory of Excitation Energy Transfer in Dimers 査読有り
A. Kimura and T. Kakitani
J. Phys. Chem. A 111 巻 頁： 12042 2007年11月
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Interference, Fluctuation, and Alternation of Electron Tunneling in Protein Media 1. Two Tunneling Routes in Photosynthetic Reaction Center Alternate Due to Thermal Fluctuation of Protein Conformation.
H. Nishioka, A. Kimura, T. Yamato, T. Kawatsu, T. Kakitani
J. Phys. Chem. B 109 巻 頁： 1978 2005年
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Interference, Fluctuation, and Alternation of Electron Tunneling in Protein Media. 2. Non-Condon Theory for the Energy Gap Dependence of Electron Transfer Rate. 査読有り
H. Nishioka, A. Kimura, T. Yamato, T. Kawatsu T. Kakitani
J. Phys. Chem. B 109 巻 頁： 15621 2005年
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Fluctuating Hydration Structure around Nanometer-Size Hydrophobic Solutes. I. Caging and Drying around C60 and C60H60 Spheres. 査読有り
T. Hotta, A. Kimura, M. Sasai
J. Phys. Chem. B 109 巻 頁： 18600 2005年
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液体のダイナミックスと非平衡物理学
吉森明、（記録係：木村明洋、鳥飼正志、後藤振一郎）
82 巻 頁： 357 2004年
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*Theory of Excitation Energy Transfer in the Intermediate Coupling Case of Clusters. 査読有り
A. Kimura and T. Kakitani
J. Phys. Chem. B. 107 巻 頁： 14486 2003年
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*Theoretical Analysis of the Energy Gap Dependence of the Reconstituted B800 -> B850 Excitation Energy Transfer Rate in Bacterial LH2 Complexes. 査読有り
A. Kimura and T. Kakitani
J. Phys. Chem. B. 107 巻 頁： 7932 2003年
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Empirical Formula of Exciton Coherent Domain in Oligomers and Application to LH2. 査読有り
T. Kakitani and A. Kimura
J. Phys. Chem. A 106 巻 頁： 2173 2002年
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Unique Mechanisms of Excitation Energy Transfer, Electron Transfer and Photoisomerization in Biological Systems. 査読有り
T. Kakitani, T. Kawatsu, A. Kimura, A. Yamada, T. Yamato, and S. Yamamoto
J. Bio. Phys. 28 巻 頁： 367 2002年
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Theory of excitation energy transfer in the intermediate coupling case and its application to the photosynthetic antenna systems. 査読有り
A. Kimura, T. Kakitani and T. Yamato
International J. Mod. Phys. B 15 巻 頁： 3833 2001年
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Theory of excitation transfer in the intermediate coupling case. 査読有り
A. Kimura, T. Kakitani, T. Yamato
J. Lumin. 87-89 巻 頁： 815 2000年
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Theory of Excitation Energy Transfer in the Intermediate Coupling Case. II. Criterion for Intermediate Coupling Excitation Energy Transfer Mechanism and Application to the Photosynthetic Antenna Systems. 査読有り
A. Kimura, T. Kakitani, T. Yamato
J. Phys. Chem. B 104 巻 頁： 9276 2000年
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Theory of Excitation Transfer in the Intermediate Coupling Case.
T. Kakitani, A. Kimura, H. Sumi
J. Phys. Chem. 103 巻 頁： 3720 1999年
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Nonperturbative method of electron transfer via a midway molecule. 査読有り
A. Kimura, T. Kakitani
Chem. Phys. Lett. 298 巻 頁： 241 1998年
講演・口頭発表等 53
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Comparison of PSI and bacterial type-I RCs by theoretical studies of exciton states and quinone docking simulations 国際会議
Shigeru Itoh, Hirotaka Kitoh-Nishioka, Ayumu Takagi, Akihiro Kimura
2nd Asia-Oceania International Congress on Photosynthesis (AOICP) 2024年9月19日
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Molecular Docking Simulations at Quinone Binding Site in Photosynthetic Reaction Centers 国際会議
Takagi, A.; Itoh, S.; Kimura, A.; Kitoh, H.
IUPAB 2024 2024年6月28日
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Theoretical analysis of the light-harvesting process in C. thermophilum type-I reaction center that binds three different species of chlorophyll molecules 国際会議
Shimooka, W.; Kitoh-Nishioka, H.; Itoh S.; Kimura, A.
IUPAB 2024 2024年6月25日
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光合成反応中心内の色素が持つサイトエネルギーをアミノ酸単位で粗視化する試み
◯松下 将典、鬼頭 宏任、伊藤 繁、下岡 渉、木村 明洋
2023年度 生物物理学会中部支部討論会 2024年3月19日 日本生物物理学会 中部支部会
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修正Redfield理論の適用可能性を定性的に拡張する試み
木村明洋
日本物理学会2024年春季大会 2024年3月19日 日本物理学会
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アシドバクテリアが持つ多種色素系から成るI型反応中心の光捕集ダイナミクスの解析
下岡渉、鬼頭宏任、伊藤繁、木村明洋
日本物理学会2024年春季大会 2024年3月19日 日本物理学会
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多種色素からなるアシドバクテリアC. thermophilumが持つI型反応中心の光捕集機構解析
下岡渉、鬼頭宏任、伊藤繁、◯木村明洋
第65回日本植物生理学会年会 2024年3月17日 日本植物生理学会
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AutoDock vinaを用いたT. elongatus 光化学系Iのキノン結合サイトにおける分子結合シミュレーション 国際会議
◯高木歩夢、伊藤繁、木村明洋、鬼頭宏任
第61回日本生物物理学会年会 2023年11月14日 日本生物物理学会
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I型光合成反応中心の多様性と光捕集機構 国際会議
木村 明洋、 鬼頭 宏任、伊藤 繁
第61回日本生物物理学会年会 2023年11月15日 日本生物物理学会
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ベイズ最適化による光合成I型反応中心3種の励起子モデルの修正 国際会議
下岡渉、鬼頭宏任、伊藤繁、木村明洋
第61回日本生物物理学会年会 2023年11月14日 日本生物物理学会
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光合成タンパク質における励起エネルギー移動の計算機シミュレーション 国際会議
○鬼頭 宏任、下岡 渉、伊藤 繁、木村 明洋
第61回日本生物物理学会年会 2023年11月15日 日本生物物理学会
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I型反応中心3種の励起子モデルをベイズ最適化により修正
下岡 渉、鬼頭宏任、伊藤 繁、木村明洋
第30回「光合成セミナー2023」 2023年6月24日
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緑色硫黄細菌、ヘリオバクテリア、A. marina、T. elongatusのI型反応中心光捕集 理論モデルから多様性を調べる
木村明洋、鬼頭宏任、伊藤 繁
第30回「光合成セミナー2023」 2023年6月25日
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多様なI型反応中心の光捕集機構を理論で俯瞰する "0.01-100 ps”
木村明洋、 鬼頭宏任、○伊藤繁
第13回日本光合成学会 2023年6月3日 日本光合成学会
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緑色硫黄細菌および遠赤色光適応型PSIの光捕集機構と励起子モデル
木村明洋、中村有花、下岡渉、鬼頭宏任、浅井智広、 近藤徹、大岡宏造、伊藤繁
第13回日本光合成学会年会 2023年6月3日 日本光合成学会
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ベイズ最適化によるI型反応中心の励起子ハミルトニアンの修正
下岡 渉、木村明洋 、鬼頭宏任、伊藤 繁
日本物理学会202３年春季大会 2023年3月23日 日本物理学会
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新発見の遠赤色光型光化学系Iを用いた光合成光捕集効率向上への計算機実験
中村有花、大河内幹仁、伊藤 繁、木村明洋
日本物理学会2023年春季大会 2023年3月23日 日本物理学会
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緑色硫黄細菌の最小 I 型反応中心の光捕集機構:遺伝子操作的改変と理論的検討
浅井智広、大岡宏造、伊藤繁、鬼頭宏任、木村明洋
第６４回 日本植物生理学会年会 2023年3月15日 日本植物生理学会
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I型反応中心の光捕集機構の原理
伊藤繁、鬼頭宏任、木村明洋
第６４回日本植物生理学会年会 2023年3月15日 日本植物生理学会
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ヘリオバクテリア反応中心におけるChl-aFからBChl-gへの励起エネルギー移動速度の理論的解析 国際会議
下岡 渉、木村明洋 、鬼頭宏任、伊藤 繁
第６０回日本生物物理学会年会 2022年9月30日 日本生物物理学会
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遠赤色光に適応した光化学系Iの光捕集におけるChlorophyll-fとRed-Chlorophyllの役割に関する理論的研究 国際会議
中村有花、大河内幹仁、伊藤 繁、木村明洋
第６０回日本生物物理学会年会 2022年9月28日 日本生物物理学会
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Exciton states on the Type-I reaction center of green sulfur bacterium Chlorobaculum tepidum studied by genetic manipulation of bacteriochlorophyll a and the structure-based theoretical modeling 国際会議
Chihiro Azai, Hirozo Oh-oka, Hirotaka Kitoh-Nishioka, Akihiro Kimura, Shigeru Itoh
International Congress on Photosynthesis Research 2022 2022年8月2日 International Society of Photosynthesis Research
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異なる色素種をもつ多様な光化学系I型反応中心上での励起エネルギー移動機構の理論的研究
中村有花、下岡渉、⻤頭宏任、伊藤繁、木村明洋
量子生命科学会第４回大会 2022年5月26日 一般社団法人量子生命科学会
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遠赤色光型反応中心 A. marina PSI の 光捕集におけるクロロフィル d の役 割:クロロフィル a を持つ T. elongatus PSI との比較
木村明洋、鬼頭宏任、青田俊道、浜口祐、米倉功治、川上恵典、新沢-伊藤恭子、井上-菓子野名津子、伊福健太郎、菓子野康浩、山下栄樹、伊藤繁
第12回日本光合成学会年会 2022年5月20日 日本光合成学会
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緑色硫⻩細菌 I 型反応中心の励起状態の理論計算と主要 BChl-a 除去実験
伊藤繁、木村明洋、鬼頭宏任、浅井智広、大岡宏造
第12回日本光合成学会年会 2022年5月20日 日本光合成学会
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クロロフィル d を使い近赤外光を利用するシアノバクテリア Acaryochloris marina の PSI 反応中心の理 論モデルとクロロフィル交換モデルの作成
木村明洋, 鬼頭宏任, 青田俊道, 浜口祐, 米倉功治, 川上恵典, 新沢-伊藤恭子, 井上-菓子野名津子, 伊福健太郎, 菓子野康浩, 山下栄樹, 伊藤繁
第63回日本植物生理学会年会 2022年3月24日 日本植物生理学会
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Chlorophyll-f を含む遠赤色光型光化学系 I の光捕集における Red-Chlorophyll の役割に関する理論的研究
中村有花, 大河内幹仁, 伊藤繁, 木村明洋
日本物理学会 第７７回年次大会 2022年3月15日 日本物理学会
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クロロフィルdを持つ遠赤色光型反応中心 A. marina PSIの光捕集機構に関する理論解析:クロロフィル a-型PSIとの比較
木村明洋, 鬼頭宏任, 青田俊道, 浜口祐, 米倉功治, 川上恵典, 新沢-伊藤恭子, 井上-菓子野名津子, 伊福健太郎, 菓子野康浩, 山下栄樹, 伊藤繁
日本物理学会 第７７回年次大会 2022年3月15日 日本物理学会
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A. marina の光化学系 I の光捕集機構:T. elongatus の光化学系 I との比較 国際会議
木村明洋,鬼頭宏任,浜口祐,米倉功治,川上恵典,菓子野康浩,伊藤繁
第59回日本生物物理学会年会 日本生物物理学会
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細菌と植物のもつ多様な光合成 I 型反応中心の光捕集機能に関する比較
木村明洋、鬼頭宏任、浜口祐、米倉功治、川上恵典、菓子野康浩、浅井智広、大岡宏造、伊藤繁
量子生命科学会 第３回大会 2021年9月16日 一般社団法人量子生命科学会
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I型光合成反応中心の構造と機能に関する多様性：ヘリオバクテリア反応中心と光化学系Iとの比較
木村明洋、鬼頭宏任、重田育照、伊藤繁
第28回「光合成セミナー2021」 2021年6月26日
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ヘリオバクテリアI型反応中心の光捕集特性の理論モデル： PSI反応中心との比較と進化
木村明洋、鬼頭宏任、重田育照、伊藤繁
第11回日本光合成学会年会 2021年5月28日 日本光合成学会
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ヘリオバクテリア I 型反応中心と PSI の in silico モデル比較 : 色素サイトエネルギー分布と励起移動
ヘリオバクテリア I 型反応中心と PSI の in silico モデル比較 : 色素サイトエネルギー分布と励起移動
第62回日本植物生理学会年会 2021年3月14日 日本植物生理学会
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ヘリオバクテリアI型反応中心と光化学系Iにおける光捕集機能の解析と比較
木村明洋, 鬼頭宏任, 重田育照, 伊藤繁
量子生命科学会第２回大会 2020年12月23日
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対称 I 型ヘリバクテリア反応中心光捕集過程の理論解析と光化学系 I との比較
木村明洋, 鬼頭宏任, 重田育照, 伊藤繁
日本生物物理学会第58回年会 2020年9月 日本生物物理学会
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ヘリオバクテリアI型反応中心の光捕集機構の理論解析：光化学系Iとの機能的差異
木村明洋, 鬼頭宏任, 重田育照, 伊藤繁
日本物理学会 2020年秋季大会 2020年9月 日本物理学会
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時間依存繰り込み量子マスター方程式の導出とその数値解析
木村明洋
日本物理学会 2017年秋季大会
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Theory of Time-dependent Projection operator and it's Renormalization for Quantum Master Equation 国際会議
Akihiro Kimura
IGER International Symposium on Physics of Life
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時間依存くりこみ操作による励起子緩和理論 II
木村明洋
日本物理学会 2016年秋季大会
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時間依存くりこみ操作による励起子緩和理論：数値解析
木村明洋
日本物理学会 第71回年次大会
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Improvement of Variational Master Equation and Domain Analysis for Excitation Energy Transfer in the Photosynthetic Antenna System 国際会議
Akihiro Kimura
The 4th IGER International Symposium on Science of Molecular Assembly and Biomolecular Systems
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Quantitative refinement of the theory of the improved variational master equation
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励起移動を記述する変分マスター方程式理論の改良III：速度定数の高次補正
木村明洋, 藤橋裕太
日本物理学会 2014年秋期大会
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励起移動を記述する変分マスター方程式の改良II
藤橋裕太, 木村明洋
日本物理学会第69回年次大会
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Improvement of the theory of variational master equation for describing excitation energy transfer, and analyzing the mechanism of excitation energy transfer in photosystem II 国際会議
Y. Fujihashi, and A. Kimura
The 16th International Congress on Photosynthesis
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自由エネルギー最小状態の探索に基づくPSII内における励起子状態の解析
藤橋裕太、木村明洋
日本物理学会第68回年次大会
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励起移動を記述する変分マスター方程式の改良およびPSIIへの適用 国際会議
藤橋裕太, 木村明洋
生物物理学会第50回年会
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Excitation energy transfer in the photosynthetic antenna systems 国際会議
Akihiro Kimura
IGER International Symposium on Science of Molecular Assembly and Biomolecular Systems 2012
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励起移動を記述する変分マスター方程式の改良
藤橋裕太, 木村明洋
日本物理学会 第67回年次大会
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三つの色素会合体内における励起エネルギー移動理論の構築
木村明洋
日本物理学会 第６６回年次大会
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光化学系II二量体におけ励起移動の理論的解析
藤橋裕太、西俊輔、柴田穣、木村明洋
日本物理学会 第６６回年次大会
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ドナー-メディエイター-アクセプター系での励起エネルギー移動の理論
日本物理学会2009年秋期大会
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二量体中の励起エネルギー移動に関する改善した理論
木村明洋、垣谷俊昭
日本物理学会第63回年次大会
科研費 2
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研究課題/研究課題番号：20K03880 2020年4月 - 2025年3月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(C)
木村 明洋, 伊藤 繁, 鬼頭 宏任
担当区分：研究代表者
配分額：4290000円 （ 直接経費：3300000円 、 間接経費：990000円 ）
光合成の機能と進化に関する研究において、絶対嫌気性細菌ヘリオバクテリアの反応中心(hRC)は、最古最単純な反応中心の一つであるため、その反応機構解明は重要である。 本研究は、多様な光合成反応中心の構造、機能、色素系の進化に関する関係性を明らかにする。
具体的には、hRCの光学特性や反応過程の全貌を理論的に解明する。励起子ダイナミクスの理論と量子化学的計算手法を組み合わせ、hRCの実験データと比較する。特に、様々なRCが持つ色素種を仮想的に置き換えてその物性の変化を引き出し、機能的差異を見出す。そして、植物や紅色細菌など複雑で色素種も異なる多様なRCそれぞれが持つ反応機構の差異を理論的に検討する。
多様な光合成生物が持つ光合成反応初期過程を担う反応中心（RC）タンパク質の立体構造が近年数多く報告されている。本研究課題では、これら新型RCの機能解析を行い、光合成生物の機能的進化を理論的に研究している。
緑色硫黄細菌が持つI型RC（GsbRC）について、I型RCの１次配列で共通して重要なアミノ酸を操作し色素除去することを仮想的な理論モデルとして構築し、その理論的な機能解析と比較をおこなった。その結果、GsbRCがもつ光捕集過程におけるエネルギートラップの状態を理論的に発見し、実験的に遺伝子操作によるRCの人為的改変を行った場合に起こりうるタンパク質の構造的安定性や静電エネルギーの効果に関する重要性を見出した。この研究成果はThe Journal of Physical Chemistry Bに掲載された。
これまでの多様なI型RC機能研究の成果にGsbRCの機能解析で得られた知見も踏まえ、I型RCが持つ光捕集にエネルギートラップを共通して持つことを見出し、それが生物種ごとにどのように異なる特徴を持つか比較検討した。
アシドバクテリアが持つRC（CabRC）の構造解析が2022年に報告された。このCabRCには可視光を吸収するクロロフィルと赤外光を吸収するバクテリオクロロフィルを同数程度持つ珍しいRCであるが、その光捕集機構に関する実験・理論的な研究はされていない。そこでCabRCの光捕集機能解析を行ない、可視光と赤外光をどのようにして捕集しスペシャルペアへエネルギーを移動させるのかを理論的に調査し、重要な物理的機構を見出した。
さらに、光化学系I内の電子伝達体における電子受容体キノン部位へのさまざまなキノン分子色素安定性の数値解析を行い、実測で得られている結果と比較し、数値解析結果が実測と良い相関を示した。キノン部位周辺の安定性に寄与するアミノ酸残基を検討した。
緑色硫黄細菌が持つ非酸素発生I型反応中心（GsbRC）について、天然のGsbRC光捕集機構の理解を目指して、その遺伝子操作による色素除去を仮想的に行なった場合と比較した理論的解析に関する研究成果を海外学術雑誌に無事掲載することができた。
一方、アシドバクテリアの非酸素発生I型反応中心（CabRC）の構造解析が近年発表された。CabRC内の色素配置はGsbRCに非常に似ているが、赤外光を吸収するバクテリオクロロフィルと可視光を吸収するクロロフィルからなる異種色素を同数程度持つ。しかし、可視光から赤外光までの波長域の光エネルギーについて、どのような光捕集機能を有するかは全く解明されていない。そこで、CabRCの光捕集機能解析を理論的に調査し、CabRCが可視光を吸収した場合、その励起エネルギーをどのように電子伝達体のスペシャルペアへ移動させているかの全体像を明らかにし、2023年度中に終えることができた。
光化学系I内の電子受容体であるキノン部位へのさまざまなキノン分子色素についてAutoDoc vinaによる結合安定性の数値解析を行った。数値解析による結合安定性の結果が実測と良い相関を示し、その安定性に寄与するアミノ酸残基を検討した。この研究成果は第６１回日本生物物理学会年会で報告できた。
遠赤色光型光化学系I（FR-PSI）、アシドバクテリアI型反応中心（CabRC）のそれぞれの機能解析やベイズ最適化による励起子モデルの修正法の開発を行なった研究成果を学術誌へ投稿を目指して準備中である。
本研究課題では、これまでに、ヘリオバクテリア反応中心が持つI型反応中心（HbRC）、赤外光を吸収するクロロフィルdを持つAcaryochloris marina光化学系I（AmPSI）、FR-PSI、CabRCの光捕集機能解析を行いつつ、従来の光化学系Iと比較を行ってきた。これら多様なI型反応中心の機能解析の研究成果で得られた実績から、各I型反応中心に共通した物理的特徴としてエネルギートラップを持つことが明らかになってきた。そこで、今後の研究推進方策として、反応中心が持つエネルギートラップに焦点を当てた光捕集機構に関する機能的多様性とその共通原理について比較検討を進め、多様な光合成反応初期過程の理解の深化を目指す。
光化学系Iの電子伝達体のキノン分子電子受容体の部位にさまざまなキノン分子を仮想的に配置させた場合の色素安定性の数値解析を行ったが、この調査を他のI型反応中心HbRCなどでも調査する。これにより、未だ解決されていないHbRCのキノン分子の存在に関する計算機科学的調査を行うことができる。 -
研究課題/研究課題番号：20K06684 2020年4月 - 2025年3月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(C)
伊藤 繁, 木村 明洋, 井原 邦夫
担当区分：研究分担者
近年発見された、 Chl a(クロロフィルa)より長波長に吸収帯をもつ① Chl d, ②Chl f, ③会合型Chl a (red-Chl a)色素（図１）のいずれかにより、700-800nmの近赤外光だけでも光合成可能なシアノバクテリア、藻類、コケの「近赤外光を使う酸素発生型光合成（FR-O２型光合成）」の光反応機構を検討する。生化学、生物物理的解析、ピコ秒レーザ分光実験などを行い、励起子理論モデルを用いて理論解析する。さらに広範な「FR-O２型光合成系」を調べ、従来の可視光型光合成との違い、多様性、変動範囲、限界を確認し、その「秘められた能力」を理解して応用を考える。
植物とシアノバクテリアの行う酸素発生型光合成反応は、可視光のエネルギーを利用し、地球生命の使うほぼ全エネルギーを供給する。H2Oを光反応で分解酸化し、大気中に副産物O2を放出し、取り出した電子でCO2を還元固定して糖を合成し、生命活動を支える。太陽光は、エネルギーの高い短波長光（紫外光）、可視光（紫ー赤）、より低エネルギーの長波長光（近赤外ー赤外光）を含む。酸素発生型光合成は、主要色素であるクロロフィルa (Chl a) が吸収する可視光（波長400-700nm）のみを使う。このため。地球上の光合成生物の生息領域も限られる。一方、太陽電池や人工光合成では、より広い波長範囲の光の利用も試みられている。しかし近年、可視光だけでなく、近赤外光も利用できる天然光合成系が我々も関わり発見された。これらは新型クロロフィルdやf（Chl d, Chl f）を使い近赤外光でも同じ光合成を行える。本研究では、これらの新型光合成系、さらにプロトタイプである光合成細菌の近赤外適応I型反応中心を対象に実験・理論研究を進めた。新しい光合成系の探索をさらに進め、反応機構の実験・理論両面からの検討、遺伝子操作による改変も行った。理論モデルによる解析法を開発し、近赤外光対応型光合成反応中心の実験・理論研究を行い、既知の光合成反応中心機能の理解も進めた。理論研究者と協力し分子構造を使い「光合成反応中心の精密理論モデル」を計算機中に作成し、人為構造改変に伴う、エネルギー移動効率や反応効率の変化などを予測した。生体光合成系は多数のクロロフィルが反応中心タンパク質内に規則的に固定され、全体が量子力学的に相互作用しあって光反応が進む。この仕組みを、実験と理論両面から総合的に検討することで、「なぜ、この構造が必要なのか？」「どうして変化が可能なのか？」を検討した。新型光合成系の作成法も検討した。
当初の研究計画では、最近発見され、可視光より低エネギーの近赤外光を使う光合成系の多様性、反応機構、特に光化学系Ⅰ型反応中心の構造と機能、を明らかにすることを目的とした。これまでに、次の研究成果が得られた、(1)兵庫県立大、理研播磨との共同による新型クロロフィルdをもつシアノバクテリアの光化学系I反応中心の立体構造の解明。これにより、クロロフィルdとフェオフィチンaを結合する特異な反応中心の精密構造をあきらかにした。（２）さらに、この構造に励起子理論を適用し、クロロフィルd色素間の励起子相互作用、各色素と周囲タンパク質の静電相互作用を計算し、反応中心上に作られる、エネルギー状態を量子力学的に計算し、スペクトルと励起エネルギー移動速度を算定できた。（３）このような構造情報と理論解析を、別に緑色硫黄細菌の反応中心にも適用し、遺伝子操作による構造改変を行い、理論予測した。さらにChl-f型反応中心でも、理論モデルを作成、遺伝子操作による改変結果も理論予測し、さらに多様な光合成系も探索した。期待以上の成果があがり新しい研究方法が生まれた。
従来の光合成研究では、光合成生物と細菌の生物学的探索、得られた生物種を使っての生化学、生物物理学的な計測、さらに、光合成反応中心タンパク質の立体構造の決定、遺伝子操作を利用した構造改編、そして、量子力学理論を使用しての反応過程の解析が、それぞれ別の専門分野の研究者によって、個別に行われてきた。本研究では、異分野の研究者のnetworkを作り、同じ研究対象を異なる研究手法、技術、思考法で研究した。これにより、研究物間の相互作用、有機的な研究発展ができた。構造情報をもとに、理論家が理論モデルを作成し、これを使い、重要部分を予測し、遺伝子操作により改変する。この前後にも理論検討を行なう。このような新タイプの研究を さらに多様な光合成系についても展開している。理論解析は実験結果を予測し、実験は新しい理論課題を与える。あきらかになった構造のどの部分が、どのような機能をになうかを、多数のクロロフィル色素を含む、可視光型、近赤外光型の反応中心について、総合的に検討した。人工光合成系も考察する。同じ課題を理論、実験家が別に童子に検討する中で新しいタイプの生物研究者が生まれるであろう。このためにはnetworkを利用した検討は大変有効で、老若の知識と能力を結合できることがわかった。これを進める。
担当経験のある科目 (本学) 13
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物理学演習III
2017
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物理学演習I-2
2017
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物理学演習III
2016
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物理学演習I-2
2016
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物理学演習III
2015
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物理学演習II
2015
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物理学演習III
2014
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物理学演習II
2014
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物理学演習III
2013
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物理学演習II
2013
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物理学演習III
2012
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物理学演習II
2012
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物理学セミナーIV-1
2011