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 26
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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
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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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*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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*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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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 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. 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 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 50
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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 - 2024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。
多様な光合成生物の光合成反応中心(RC)が持つ、光捕集/電荷分離反応はどのような関係にあり、 進化の過程でどのように機能的差異を生じてきたのかを生物物理学的に解明することを目的としている。緑色硫黄細菌が持つI型反応中心(GsbRC)は赤外光を利用して非酸素発生型光合成反応を起こす始原的な反応中心の候補と考えられている。しかし、その立体構造が未解明だったため、光捕集機構の理論的解明が困難であった。本年度は、GsbRCの構造情報が最近解明されたため、その光学特性及び光捕集機構の解明を行った。一方、多様なI型RCへと進化分化する際に共通して機能的に重要な色素を見定めるため、天然のGsbRCと共に、遺伝子操作を行ったGsbRCの光学特性が実験的に測定されている。そこで、これらの光学的特性を理論的に比較することで、多様なI型反応中心の機能的特性を調べた。Poisson-TrESP法による励起子結合強度計算とCharge Density Coupling (CDC)法によるサイトエネルギー計算を実行し、天然のGsbRCの励起子モデルとその遺伝子操作したモデルを作成した。天然のGsbRCの光学的特性を再現出来る励起子モデルから、光捕集過程の実験結果を再現した。そこで、遺伝子操作したGsbRCによる光学特性の天然GsbRCからの変化の物理的原因を調査した。 その結果、 GsbRCの遺伝子操作において、各色素および配位しているアミノ酸の静電環境が複雑に相互作用していることを明らかにした。これは、遺伝子操作による実験を行う際には、除去される色素だけでなくその周辺の静電環境と立体配置を考慮する必要があることを意味する。これは、多様なI型RCにおける一次構造で共通しているアミノ酸に配位している機能的に重要な色素とともに、その周辺で相互作用している色素も光捕集において重要である可能性を明らかにした。
初年度に行ったヘリオバクテリア非酸素発生型I型反応中心(HbRC)について、量子化学計算を組み合わせた励起子状態の解析によってその光学特性と光捕集機構の全貌を解明し、HbRCと酸素発生型I型反応中心(PSI)の機能的差異を明らかにした(Journal of Physical Chemistry Bに掲載済み)。昨年度は、Acaryochloris marina 光化学系Iの光捕集特性の解明と共に、従来のPSIの励起子モデルと比較検討することで機能的差異を明確にした（Journal of Physical Chemistry Bに掲載済み）。一方、I型RCの中では最も単純で始原的な緑色硫黄細菌が持つ反応中心 (GsbRC)の立体構造が2020年に報告されていた。そこで、その機能解析を遺伝子操作による実験的研究と組み合わせて行った。現在、研究成果を海外の学術雑誌に投稿するための論文原稿作成中である。その他には、可視光で光合成反応を起こす一部のシアノバクテリアが持つPSIを、遠赤色光下で生育させると遠赤色光に適応した遠赤色光適応型PSI(FR-PSI)を作り出すことがわかっている。近年このFR-PSIの構造解析や分光学的実験が行われているが、その光捕集機構に関する理論的研究は行わてていない。そこで、FR-PSIの遠赤色光による光捕集機構を、その構造情報を用いて理論的に解析した。特に、FR-PSIを光励起させた後の光捕集において遠赤色光の光捕集に重要な色素を推定した。さらに、今までに作成してきた励起子モデルでは光学特性の再現が困難な場合がある。この問題に対して、ベイズ最適化によるモデルの修正を検討した。これにより、より定量的な光捕集機構の解明を行うことができる。これらの結果は日本物理学会2023年春季大会などで報告をし、論文としてまとめ学術雑誌に投稿するため論文執筆中である。
I型RCとしてヘリオバクテリア反応中心(HbRC), FR-PSI, GsbRCそしてアシドバクテリア(CabRC)の様に、近年様々なI型RCの構造報告があるなかで、各RCの機能解析を進めてきている。今後の研究の推進方策として以下の様に進めてい く。
1) 近年に多様なI型RCに関する構造情報が多く報告され、これらI型RCについて構造情報に基づいた観点からの各RC間の差異は議論されているが、光捕集に関する機能的差異は検討されていない。そこで、今まで理論的に調査してきたI型RCの励起子モデル、光学特性、そして光捕集機構の結果から各I型RC間の機能的特性の差異を比較検討し、多様なI型反応中心の中で共通した物理的特性を見出しその関係を取りまとめる。必要に応じてベイズ最適化による励起子モデルの修正を行い、モデルに修正が必要な原因を探りそれをI型反応中心全体で俯瞰して比較検討を行う。そして、近年報告されているII型RCを含めた多様なRCおよびその周辺アンテナまで含めた大規模色素系の構造情報を用いてRC周辺の環境も考慮した光捕集機構の機能的差異や、各光合成生物の生息する環境毎で異なる光をどのようにして利用し、光合成生物として進化最適化してきたかを俯瞰的に整理し、そこに潜む物理的機構を解明する。
2) 最近、BChl-a, Chl-aからなるアシドバクテリアRCの高分解能構造解析が報告され、その色素配置はGsbRCに非常に似ていることが明らかとなった。アシドバクテリアRCの構造はGsbRCの構造分解能に比べて非常に高いため、GsbRCの機能解析結果と比較しながら光捕集機能の差異を検討する。1)の研究推進方策に合わせて他のI型RCとの機能的差異も視野に入れた比較を行う。 -
研究課題/研究課題番号：20K06684 2020年4月 - 2024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営む酸素発生型光合成は、クロロフィルa (Chl a)色素の吸収する400-700nmの可視光を使うが、光合成細菌の非酸素発生型光合成ではバクテリオクロロフィル（BChl）が吸収する380-900nmの可視-近赤外(FR)光を使う。可視光よりエネルギーの低い700-800nmの近赤外光でも酸素発生光合成（FR－O2型光合成）が行われる事を我々は報告した (‘98年)。近年、さらに多くの「FR－O2型光合成」をするシアノバクテリアや藻類が 見出され、研究が進展した。
本研究では、Chl aの代わりに、740nm光を利用できるChl dで「FR－O2型光合成」をするシアノバクテリア種アカリオクロリスの光化学系I (PSI)の構造を、解明し論文発表した(2021)。
この反応中心は’98年に我々が初精製し、反応中心Chl d-2量体をP740と命名した。構造情報を使い、理論解析をした。別種のChl fを使いFR－O2型光合成をする反応中心でも理論検討を進めた。Chlf型10種 、Chl d型アカリオ属7株、red-Chl a型南極コケ１種の光反応を実測した。
シアノバクテリアPSI (96Chl aをもつ)と似た構造でBChl-gをもつヘリオバクテリアのI型反応中心の理論解析を行った。超高速励起エネルギー移動過程を計算機内で再現した。クロロフィルを置き換える仮想実験系を作り、in silicoでの進化実験を行った。これは人工光合成系開発にも利用できる。
さらにBChla30と4Chlaを持ち長波長800-840nm光を利用する緑色硫黄細菌の反応中心（GsbRCお）の理論モデルを作成した。この系はFR型反応中心の祖先型に近い。励起エネルギー移動、エネルギー分布変化をしらべた。
本研究では、Chl aの代わりに、740nm光を利用できるChl dで「FR－O2型光合成」をするシアノバクテリア種アカリオクロリスの光化学系I (PSI)の構造を、解明し論文発表した。シアノバクテリアPSI (96Chl aをもつ)と似た構造でBChl-gをもつヘリオバクテリアのI型反応中心の理論解析を行った。超高速励起エネルギー移動過程を計算機内で再現した。クロロフィルを置き換える仮想実験系を作り、in silicoでの進化実験を行った。これは人工光合成系開発にも利用できる。緑色硫黄細菌の反応中心（GsbRCお）の理論モデルを作成した、これは当初の計画以上の成果となるであろう。
さらに、理論家との共同研究を精力的に進め、Chl dを持つアカリオクロリスのPSI、ChlfをChl aに合わせてもつシアノバクテリアPSI, 反応中心以外のChl a会合体を結合してFR光を吸収するPSI、BChlaをもつ緑色硫黄細菌反応中心を対象に理論研究を進める。クロロフィル分子の相互配置・相互作用により生じる励起子状態群のシミュレーション計算と、個別クロロフィルの結合部位毎にタンパク質環境が作り出す部位エネルギー（site energy）値の理論計算をPSI及び、2018年に構造解明されたヘリオバクテリアのI型反応中心（BChl gをもつ）で進めつつある。これを発展させ、光合成反応中心上で,色素の種類、配置を変える際の光捕集やエネルギー移動への影響をin silicoモデル上で理論評価する。生物現象の中でも、物理過程・原理から研究しやすい光合成系は、進化や適応の検討に適したモデルであり、新しい実験理論展開を進めたい。
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II
2015
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物理学演習III
2015
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物理学演習II
2014
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物理学演習III
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