2022/04/12 更新

写真a

キムラ アキヒロ
木村 明洋
KIMURA, Akihiro
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

学位 1

  1. 理学博士 ( 名古屋大学 ) 

研究キーワード 1

  1. 励起エネルギー移動

研究分野 2

  1. その他 / その他  / 生物物理・化学物理

  2. 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

  1. 三重大学   非常勤講師

    2017年10月 - 現在

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    国名:日本国

  2. 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

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    国名:日本国

  3. 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

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    国名:日本国

  4. 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

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    国名:日本国

学歴 2

  1. 名古屋大学   理学研究科

    - 2001年

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    国名: 日本国

  2. 京都産業大学   理学部

    - 1996年

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    国名: 日本国

所属学協会 3

  1. 日本生物物理学会

  2. 日本物理学会

  3. アメリカ化学会

委員歴 3

  1. 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   

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    団体区分:学協会

  2. 日本生物物理学会 専門分野別委員   委員  

    2012年1月 - 2013年12月   

  3. 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   

 

論文 23

  1. Comparison between the Light-Harvesting Mechanisms of Type-I Photosynthetic Reaction Centers of Heliobacteria and Photosystem I: Pigment Site Energy Distribution and Exciton State 査読有り 国際誌

    Kimura Akihiro, Kitoh-Nishioka Hirotaka, Shigeta Yasuteru, Itoh Shigeru

    JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B   125 巻 ( 15 ) 頁: 3727 - 3738   2021年4月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c09400

    Web of Science

    PubMed

  2. Excitonic Coupling on a Heliobacterial Symmetrical Type-I Reaction Center: Comparison with Photosystem I 査読有り

    Kitoh-Nishioka Hirotaka, Shigeta Yasuteru, Itoh Shigeru, Kimura Akihiro

    JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B   124 巻 ( 2 ) 頁: 389 - 403   2020年1月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1021/acs.jpcb.9b11290

    Web of Science

  3. Theoretical Model of Exciton States and Ultrafast Energy Transfer in Heliobacterial Type I Homodimeric Reaction Center 査読有り

    Kimura Akihiro, Itoh Shigeru

    JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B   122 巻 ( 50 ) 頁: 11852 - 11859   2018年12月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:American Chemical Society ({ACS})  

    DOI: 10.1021/acs.jpcb.8b08014

    Web of Science

  4. 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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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1016/j.cplett.2016.08.053

  5. 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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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1016/j.cplett.2015.12.047

  6. 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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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  7. 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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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  8. 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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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  9. *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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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    General theory of the excitation energy transfer EET in the case of donor-mediator-acceptor
    system was constructed by using generalized master equation GME. In this theory, we consider the
    direct and indirect transitions in the EET consistently. Hence, our theory includes the quantum
    mechanical interference between the direct and indirect transitions automatically. Memory functions
    in the GME were expressed by the overlap integrals among the time-dependent emission spectrum
    of the donor, the absorption spectrum of the mediator, the time-dependent emission spectrum of the
    mediator, and the absorption spectrum of the acceptor. In the Markov limit of the memory functions,
    we obtained the rate of EET which consists of three terms due to the direct transition, the indirect
    transition, and the interference between them. We found that the interference works effectively in
    the limit of slow thermalization at the intermediate state. The formula of EET rate in this limit was
    expressed by the convolution of the EET interaction and optical spectra. The interference effect
    strongly depends on the width of the absorption spectrum of mediator molecule and the energy gap
    between the donor and the mediator molecules.

  10. *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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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    Previously, we developed a unified theory of the excitation energy transfer (EET) in dimers, which is applicable
    to all of the cases of excitonic coupling strength (Kimura, A.; Kakitani, T.; Yamato, T. J. Phys. Chem. B
    2000, 104, 9276). This theory was formulated only for the forward reaction of the EET. In the present paper,
    we advanced this theory so that it might include the backward reaction of the EET as well as the forward
    reaction. This new theory is formulated on the basis of the generalized master equation (GME), without
    using physically unclear assumptions. Comparing the present result with the previous one, we find that the
    excitonic coupling strengths of criteria between exciton and partial exciton and between hot transfer and
    hopping (Fo¨rster) mechanisms are reduced by a factor of 2. The critical coherency èc is also reduced
    significantly.

  11. 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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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  12. 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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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  13. 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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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  14. 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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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(大学,研究機関等紀要)  

    本紀要は、2003年9月30日から10月2日の間に、名古屋大学大学院情報科学研究科にて行われた、九州大学理学研究科物理学部門の吉森明による「溶液のダイナミックスと非平衡物理学」というタイトルの集中講義の講義ノートである。

  15. *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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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  16. *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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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  17. 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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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  18. 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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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  19. 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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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  20. 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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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  21. 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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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  22. 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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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  23. 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

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

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講演・口頭発表等 28

  1. 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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    開催年月日: 2022年3月

    記述言語:日本語   会議種別:ポスター発表  

    開催地:オンライン開催   国名:日本国  

  2. 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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    開催年月日: 2022年3月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    開催地:オンライン開催   国名:日本国  

  3. 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

     詳細を見る

    開催年月日: 2022年3月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    開催地:オンライン開催   国名:日本国  

  4. 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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    開催年月日: 2021年11月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    開催地:オンライン開催   国名:日本国  

  5. 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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    開催年月日: 2021年9月

    記述言語:日本語   会議種別:ポスター発表  

    開催地:Zoonオンライン   国名:日本国  

  6. 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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    開催年月日: 2021年6月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    開催地:Zoomオンライン開催   国名:日本国  

  7. 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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    開催年月日: 2021年5月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    開催地:Zoomオンライン  

  8. 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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    開催年月日: 2021年3月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

  9. 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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    開催年月日: 2020年12月

    記述言語:日本語   会議種別:ポスター発表  

  10. 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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    開催年月日: 2020年9月

    記述言語:英語   会議種別:ポスター発表  

    国名:日本国  

  11. 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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    開催年月日: 2020年9月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    国名:日本国  

  12. 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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    開催年月日: 2017年9月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    開催地:岩手大学 上田キャンパス   国名:日本国  

  13. 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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    開催年月日: 2017年3月

    記述言語:英語   会議種別:ポスター発表  

    開催地:Nagoya University   国名:日本国  

  14. 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 

     詳細を見る

    開催年月日: 2016年9月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    開催地:金沢大学 角間キャンパス   国名:日本国  

  15. 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 

     詳細を見る

    開催年月日: 2016年3月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    開催地:東北学院大学 泉キャンパス   国名:日本国  

  16. 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 

     詳細を見る

    開催年月日: 2015年8月 - 2015年9月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    国名:日本国  

  17. Quantitative refinement of the theory of the improved variational master equation

     詳細を見る

    開催年月日: 2014年9月

    記述言語:英語   会議種別:ポスター発表  

    国名:日本国  

  18. 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 

     詳細を見る

    開催年月日: 2014年9月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    国名:日本国  

  19. 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 

     詳細を見る

    開催年月日: 2014年3月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    国名:日本国  

  20. 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 

     詳細を見る

    開催年月日: 2013年8月

    記述言語:英語   会議種別:ポスター発表  

    国名:アメリカ合衆国  

  21. 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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    開催年月日: 2013年3月 - 2013年9月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    国名:日本国  

  22. 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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    開催年月日: 2012年9月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    国名:日本国  

  23. 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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    開催年月日: 2012年9月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    国名:日本国  

  24. 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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    開催年月日: 2012年3月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    開催地:関西学院大学西宮上ヶ原キャンパス   国名:日本国  

  25. 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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    開催年月日: 2011年3月

    記述言語:日本語   会議種別:ポスター発表  

    開催地:新潟大学   国名:日本国  

  26. 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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    開催年月日: 2011年3月

    記述言語:日本語   会議種別:ポスター発表  

    開催地:新潟大学五十嵐キャンパス   国名:日本国  

  27. 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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    開催年月日: 2009年9月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    国名:日本国  

  28. 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 

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    開催年月日: 2008年3月

    記述言語:日本語   会議種別:ポスター発表  

    国名:日本国  

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科研費 2

  1. 近赤外光適応型酸素発生光合成の多様性と機構の解明、理論解析

    研究課題/研究課題番号:20K06684  2020年4月 - 2024年3月

    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

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    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。
    従来、植物とシアノバクテリアの酸素発生光合成では、クロロフィルa(Chl a)の吸収する青ー赤の700nm以下の可視光を使い、光合成細菌の嫌気光合成ではBchl a (バクテリオクロロフィルa)が吸収する800nm以上の近赤外(FR)光を主に使うとされてきた。しかし、本申請の主題である「FR-O2型光合成」が、海中、土壌表層、生物下層など可視光が少ない環境中の生物で近年見つかった. 近赤外LEDの普及でによる FR光培養がが大きく貢献した。
    本研究では、クロロフィルdを使うシアノバクテリア種・アカリオクロリスの740nm光を利用できるPSIの構造を、低温電子線回折で明らかにした。反応中心クロロフィルP740もChl d-2量体であることを示し、FR光合成のメカニズムの研究に新たな基礎を与えた。この構造を使い理論解析をすすめつつある。
    さらに別のクロロフィルfをつかいFR-O2光合成をするシアノバクテリアの検討を進めた。現在Chlf型10種 、Chl d型アカリオ属7株、red-Chl a型南極コケ1種を調べ。FR-O2型光合成の多様性・共通性を検討している。
    FR-O2光合成とは別に、シアノPSI(96Chl aをもつ)と似たタンパク質上にBChl-gを30分子もつヘリオバクテリアの非02-反応中心(hRC)の研究を行った。分担者木村と共同でhRC上の色素相互作用の量子理論モデルを構築し、超高速エネルギー移動過程を再現した(2018)。さらに、hRC上のBChl-gをChl-aで置き換えPSI型とするようなin silicoでの進化の理論実験を開始した( 2019、2021)。これを応用して、近赤外O2発生型光合成系の検討をすすめ、人工光合成系の開発にも利用する。
    (1)新型のクロロフィル(クロロフィルd)を持つシアノバクテリア・Acaryochloris種の光化学系I反応中心複合体の分子構造決定を行った(論文1)。(2)同系統ともいえる、より原始的なヘリオバクテリアのI型反応中心上のクロロフィル集団上での励起エネルギーを移動の理論解析を進めた(論文2)。(3)さらに原始的で、色素種も数も異なるな緑色硫黄細菌のI型反応中心の理論解析を始めた。この系については遺伝子操作で色素を一部取り除いた際の効果の分光実験を終えており、理論解析と合わせて発展が期待される。(4) 構造決定したAcaryochlorisのPSI上での色素配置、色素とタンパク質との相互作用の理論解析を行い、エネルギーの流れ方を解析している。(4)他のFar-red光合成系についても蛍光寿命測定などで検討をすすめている。
    本年度は、関連論文2編、学会発表を5件を行った。
    現在、近赤外(far-red)酸素発生光合成系の特製理解のため、理論家との共同研究を精力的に進めている。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年初めて構造が明らかにされたヘリオバクテリアのI型反応中心(近赤外型色素バクテリオクロロフィルgをもつ)で進めた。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で理論評価する方法を開発しつつある。さらに緑色硫黄細菌細菌のより原始的な反応中心の検討を行う。量子論で、環境応答や、進化にともなう光合成系反応中心複合体構造と特性変化を予測し、光合成の進化、適応の理解を進めたい。生物現象の中でも、物理過程・原理が支配的な光合成系は、進化や適応の検討に適したモデルであるので期待がもてる。

  2. 多様な光合成反応中心の光捕集と電子移動と進化の理論的解析

    研究課題/研究課題番号:20K03880  2020年4月 - 2023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

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    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。
    多種多様な光合成生物の光合成反応中心(RC)が持つ、光捕集および電荷分離反応の機能は生物物理学的にどのような関係にあり、 かつ、進化の過程でどのように機能的差異を生み出してきたのかを解明することを目的として、近年報告されたヘリオバクテリア反応中心(hRC)の光捕集機構の解明を行なった。特に、hRCの実測による分光学的スペクトルや励起移動ダイナミクスのより正確な定量的再現を行うため、hRC光捕集機構モデルの改良を行った。
    単純なモデルで得たhRC内励起移動速度の解析では、多数のBChl分子の電子励起エネルギー(サイトエネルギー)を同等に扱ったため、実測より数倍速く再検討が必要であった。そこで、各色素周辺の環境の違いによるサイトエネルギーの不均一性を量子化学計算によって導入/解析してモデルを改良した。光化学系I(PSI)RCの構造、励起移動/電子移動速度とそのRC内反応経路に焦点を当てhRCとの機能的差異を比較検討した。
    具体的には、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てhRCの励起子モデルを作成し、hRCとPSIの光捕集における機能的差異を検討した。その結果、hRCはPSIと比べると漏斗モデルに近い光捕集機能を持っていることが明らかとなった。さらに、hRCを励起したエネルギーが長時間電荷分離反応に利用されない場合、過剰な励起エネルギーを電子伝達体近傍のBChl-g色素による最低励起子状態に留めておき、そのすぐ近くのカロテノイド分子へエネルギーを散逸させる機能を持っている可能性を見出した。また、hRCの構造はPSIに比べ対称性が良く、色素数も少ないため反応中心の光捕集機能に関する全貌を見出すのに非常にコンパクトにまとまった系であることが明らかとなった。
    hRCが持つBChl-gのQy吸収帯周辺に関する光捕集機構の全貌を、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吸収/CDスペクトルや過渡吸収差スペクトルを求めて明らかにした。また、PSIとの機能的差異についてhRCとPSIの各励起子モデルを比較検討することで機能的差異を明確にできた。研究内容は論文としてまとめ、アメリカ化学会のJournal of Physical Chemistry Bに掲載されている。
    その他に、可視光よりも長波長な遠赤色光を利用した反応中心である遠赤色光型PSI(FR-PSI)やhRCよりもより単純で始原的な緑色硫黄細菌が持つ反応中心(gRC)の三次元構造が2020年に報告された。そこで、FR-PSIやgRCの持つ光捕集機構と各RC間の機能的差異を明らかにするため、現在FR-PSIとgRCそれぞれの光学特性の解明を行なっている。
    今後の研究の推進方策として以下の様に進めていく。
    1)hRC以外の他のRCとして、近年様々なFR-PSIやgRCの様なI型RCの構造報告がある。FR-PSIは主要色素としてChl-aを多くもちながら、一部Chl-fに置き換えられた遠赤色光を利用して電荷分離反応を起こするRCである。gRCは緑色硫黄細菌が持つRCであり、主要色素としてBChl-aを持つ。それら新規に解明されたRC構造が持つ主要色素のQy光吸収帯近傍の光捕集機構を解明し、各RC間での機能的差異を比較検討することで、機能的進化に関する考察を行う。
    2)hRCには、BChl-g以外に可視光領域で光吸収するChl-aFを2つ持っており、電子伝達体の中に埋め込まれている。実験的に、Chl-aFを選択励起させた場合でも、光捕集及び電荷分離反応が起こることが実験的に確認されている。しかし、可視光領域で光励起されたChl-aFの励起状態から、遠赤色光を吸収するBChl-gへエネルギー移動する機構は明らかにされていない。そこで、hRC内のChl-aFを選択励起させた場合の過渡吸収分光に関する研究に着手する。更に、方策1)と同様に、gRC内にも4つのChl-a位置情報が明らかとなったため、gRC中のChl-aを選択励起させた場合の光捕集過程の解析も進める。
    3)方策1)、2)でI型RCに関する光捕集機構の全体像と各RC間の機能的差異に関する知見が得られたら、II型RCを含めた各RCの進化的な関係性を、全RCの間の機能的差異を指標として検討する。検討の結果、光捕集/電荷分離反応における機能調節を操作する手法を開発し、環境に合わせた高効率太陽電池や人工光合成系開発に貢献する。

 

担当経験のある科目 (本学) 13

  1. 物理学演習III

    2017

  2. 物理学演習I-2

    2017

  3. 物理学演習III

    2016

  4. 物理学演習I-2

    2016

  5. 物理学演習II

    2015

  6. 物理学演習III

    2015

  7. 物理学演習III

    2014

  8. 物理学演習II

    2014

  9. 物理学演習III

    2013

  10. 物理学演習II

    2013

  11. 物理学演習III

    2012

  12. 物理学演習II

    2012

  13. 物理学セミナーIV-1

    2011

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