2024/10/06 更新

写真a

ヨシダ ノリオ
吉田 紀生
YOSHIDA Norio
所属
大学院情報学研究科 複雑系科学専攻 物質情報論 教授
大学院担当
大学院情報学研究科
学部担当
情報学部 自然情報学科
職名
教授
外部リンク

学位 1

  1. 博士(理学) ( 2003年3月   京都大学 ) 

研究キーワード 26

  1. MM

  2. DNA

  3. 3D-RISM理論

  4. 3D-RISM-SCF

  5. Molecular Biology

  6. 電荷移動

  7. 電気伝導

  8. 部分モル圧縮率

  9. 部分モル体積

  10. 蛋白質

  11. 理論化学

  12. 溶媒効果

  13. 水分子

  14. 正孔移動

  15. 構造揺らぎ

  16. 分子認識

  17. リガンド

  18. プロトン

  19. イオンチャネル

  20. イオン

  21. アクアポリン

  22. Theoretical Chemistry

  23. Solution Chemistry

  24. RISM理論

  25. Quantum Chemistry

  26. QM

研究分野 4

  1. ライフサイエンス / 生物物理学

  2. 自然科学一般 / 生物物理、化学物理、ソフトマターの物理

  3. ナノテク・材料 / 生体化学

  4. ナノテク・材料 / 基礎物理化学

経歴 6

  1. 自然科学研究機構   分子科学研究所   客員教授

    2022年4月 - 現在

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  2. 名古屋大学   大学院情報学研究科   教授

    2022年3月 - 現在

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    国名:日本国

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  3. 九州大学   大学院理学研究院   准教授

    2017年1月 - 2022年2月

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  4. 九州大学   高等研究院   准教授

    2012年2月 - 2016年12月

  5. 自然科学研究機構分子科学研究所   助教

    2007年7月 - 2012年2月

  6. 自然科学研究機構分子科学研究所   博士研究員

    2004年4月 - 2007年6月

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学歴 3

  1. 京都大学   大学院理学研究科   化学専攻

    1999年4月 - 2003年3月

  2. 京都大学   大学院理学研究科   化学専攻

    1997年4月 - 1999年3月

  3. 信州大学   理学部   化学科

    1993年4月 - 1997年3月

所属学協会 7

  1. 理論化学会

    2022年4月 - 現在

  2. 日本生物物理学会

    2022年4月 - 現在

  3. Biophysical Society

    2020年1月 - 現在

  4. 日本物理学会

    2012年12月 - 現在

  5. 分子科学会

    2012年4月 - 現在

  6. 日本化学会

    2007年7月 - 現在

  7. 溶液化学研究会

    2007年4月 - 現在

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委員歴 2

  1. 分子科学会   企画委員  

    2022年 - 現在   

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    団体区分:学協会

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  2. 日本化学会   九州支部会計幹事  

    2017年4月 - 2018年3月   

受賞 1

  1. 溶液化学研究会奨励賞

    2011年   溶液化学研究会  

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    受賞区分:国内外の国際的学術賞 

 

論文 30

  1. RISMiCal: a software package to perform fast rism/3d-rism calculations 査読有り

    Yutaka Maruyama, Norio Yoshida

    Journal of Computational Chemistry   45 巻   頁: 1470 - 1482   2024年2月

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    担当区分:最終著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    Solvent plays an essential role in a variety of chemical, physical, and biological pro- cesses that occur in the solution phase. The reference interaction site model (RISM) and its three-dimensional extension (3D-RISM) serve as powerful computational tools for modeling solvation effects in chemical reactions, biological functions, and structure formations. We present the RISM integrated calculator (RISMiCal) program package, which is based on RISM and 3D-RISM theories with fast GPU code. RISMi- Cal has been developed as an integrated RISM/3D-RISM program that has interfaces with external programs such as Gaussian16, GAMESS, and Tinker. Fast 3D-RISM pro- grams for single- and multi-GPU codes written in CUDA would enhance the availabil- ity of these hybrid methods because they require the performance of many computationally expensive 3D-RISM calculations. We expect that our package can be widely applied for chemical and biological processes in solvent. The RISMiCal package is available at https://rismical-dev.github.io.

    DOI: 10.1002/jcc.27340

  2. Implementation of solvent polarization in three-dimensional reference interaction-site model self-consistent field theory 査読有り 国際誌

    Yoshida N., Yamaguchi T., Nakano H.

    Chemical Physics Letters   797 巻   2022年6月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Chemical Physics Letters  

    The three-dimensional reference interaction-site model self-consistent field (3D-RISM-SCF) theory is an electronic structure theory of solvated molecules, which can handle the electronic polarization of the solute molecule induced by the interaction with the solvent, whereas the electronic polarization of solvent molecules is ignored. Here, the solvent-polarizable model is implemented to take into account the electronic polarization of solvent molecules. It is applied to the water molecule in an aqueous solution and the p-nitroaniline molecule in an aqueous solution, and the effects of the solvent polarization on the properties of these solutes are demonstrated.

    DOI: 10.1016/j.cplett.2022.139579

    Scopus

  3. Why is Dimeric 3D Domain Swapping in Antibody Light ChainsMissing from the Solution? Atomistic Insights Mechanisms 査読有り

    Lian Duan, Kowit Hengphasatporn, Takahiro Sakai, Ryo Fujiki, Norio Yoshida, Shun Hirota, Yasuteru Shigeta

    The Journal of Physical Chemistry B   128 巻   頁: 9086 - 9093   2024年9月

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    記述言語:英語  

    Misfolding of antibody light chains can lead tosystemic light chain amyloidosis, which is associated withmisfolding and aggregation. The antibody light chain may engagein 3D domain swapping within the variable region (#4VL) throughhydrogen bonding (HB) interactions, potentially forming thetetramer, as revealed in solution and crystal structures. However,the 3D-domain swapping (3D-DS) dimers could not be detectedexperimentally. This study investigates the absence of 3D-DS usingcomputational approaches, focusing on structural dynamics,solvation effects, and stability relevant to the loss of 3D-DS.Microscale molecular dynamics simulations of #4VL and 3D-DSconfirm that native HB interactions are essential to maintain β-sheet structures in both #4VL and 3D-DS. A flickering native HBinteraction in the 3D-DS system, caused by repulsive interaction with water molecules in the hydrophobic region, leads tointramolecular breathing motions and oligomerization in another 3D-DS. Structural dynamics of the 3D-DS dimer in long-runsimulations were analyzed using the newly developed integrated solvation-based principal component analysis (3D-RISM/PCA) anddensity-based spatial clustering of applications with noise, confirm that if the 3D-DS cannot form the tetramer within the breathingmotion process, the 3D-DS will collapse. This finding provides insights into why the 3D-DS dimer is missing from the solution andcan be used to design and develop 3D-DS in other antibodies

    DOI: 10.1021/acs.jpcb.4c03234

  4. Redesign of a thioflavin-T-binding protein with a flat β-sheet to evaluate a thioflavin-T-derived photocatalyst with enhanced affinity 査読有り

    Yuina Miura, Sae Namioka, Atsushi Iwai, Norio Yoshida, Hiroyuki Konno, Youhei Sohma, O Motomu Kanai, Koki Makabe

    International Journal of Biological Macromolecules   269 巻   頁: 131992   2024年4月

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    記述言語:英語  

    Amyloids, proteinous aggregates with β-sheet-rich fibrils, are involved in several neurodegenerative diseases
    such as Alzheimer’s disease; thus, their detection is critically important. The most common fluorescent dye for
    amyloid detection is thioflavin-T (ThT), which shows on/off fluorescence upon amyloid binding. We previously
    reported that an engineered globular protein with a flat β-sheet, peptide self-assembly mimic (PSAM), can be
    used as an amyloid binding model. In this study, we further explored the residue-specific properties of ThT-
    binding to the flat β-sheet by introducing systematic mutations. We found that site-specific mutations at the
    ThT-binding channel enhanced affinity. We also evaluated the binding of a ThT-based photocatalyst, which
    showed the photooxygenation activity on the amyloid fibril upon light radiation. Upon binding of the photocatalyst
    to the PSAM variant, singlet oxygen-generating activity was observed. The results of this study expand
    our understanding of the detailed binding mechanism of amyloid-specific molecules.

    DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2024.131992

  5. Solvent distribution effects on quantum chemical calculations with quantum computers 招待有り 査読有り

    Yuichiro Yoshida, Wataru Mizukami, Norio Yoshida

    Journal of Chemical Theory and Computation     2024年2月

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

    DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jctc.3c01189

  6. Solvent distribution effects on quantum chemical calculations with quantum computers 査読有り

    Yuichiro Yoshida, Wataru Mizukami, Norio Yoshida

    Journal of chemical theory and computation   20 巻   頁: 1962 - 1971   2024年2月

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

    We present a combination of three-dimensional
    reference interaction site model self-consistent field (3D-RISM-
    SCF) theory and the variational quantum eigensolver (VQE) to
    consider the solvent distribution effects within the framework of
    quantum-classical hybrid computing. The present method, 3D-
    RISM-VQE, does not include any statistical errors from the solvent
    configuration sampling owing to the analytical treatment of the
    statistical solvent distribution. We apply 3D-RISM-VQE to
    compute the spatial distribution functions of solvent water around
    a water molecule, the potential and Helmholtz energy curves of
    NaCl, and to analyze the Helmholtz energy component and related
    properties of H2O and NH+4. Moreover, we utilize 3D-RISM-VQE
    to analyze the extent to which solvent effects alter the efficiency of quantum calculations compared with calculations in the gas phase using the L1-norms of molecular electronic Hamiltonians. Our results demonstrate that the efficiency of quantum chemical calculations on a quantum computer in solution is virtually the same as that in the gas phase.

    DOI: 10.1021/acs.jctc.3c01189

  7. RISM/3D-RISM プログラム RISMiCal の紹介 招待有り

    丸山豊,吉田紀生

    分子シミュレーション学会誌 アンサンブル   26 巻 ( 1 ) 頁: 74 - 82   2024年1月

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

  8. Coexistence of two coacervate phases of polyglycine in water suggested by polymer reference interaction site model theory 招待有り 査読有り

    Tsuyoshi Yamaguchi, Song-Ho Chong, and Norio Yoshida

    The Journal of Chemical Physics   159 巻   頁: 245101   2023年12月

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

    DOI: 10.1063/5.0185157

  9. Assessment of the Applicability of the LFC/3D-RISM-SCF Scheme for pKa Prediction in Methanol Solutions 査読有り

    Ryo Fujiki,Toru Matsui, Yasuteru Shigeta, Norio Yoshida, Haruyuki Nakano

    Chemistry Letters   53 巻   頁: upad009   2023年12月

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    担当区分:責任著者  

    DOI: 10.1093/chemle/upad009

  10. Selective molecular recognition of amino acids and their derivatives by cucurbiturils in aqueous solution: an MD/3D-RISM study 招待有り 査読有り 国際共著

    Natthiti Chiangraeng, Haruyuki Nakano, Piyarat Nimmanpipug, and Norio Yoshida

    Journal of Molecular Liquids   385 巻   頁: 122503   2023年9月

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    担当区分:最終著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1016/j.molliq.2023.122503

  11. Effects of intramolecular chain conformation on the hydration and miscibility of polyethylene glycol in water studied by means of polymer reference interaction site model theory 査読有り

    Tsuyoshi Yamaguchi, Song-Ho Chong, Norio Yoshida

    The Journal of Chemical Physics   159 巻   頁: 044901   2023年7月

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

    DOI: 10.1063/5.0159130

  12. Tuning the ATP-ATP and ATP-disordered protein interactions in high ATP concentration by altering water models 査読有り

    Toshifumi Mori, Norio Yoshida

    The Journal of Chemical Physics   159 巻   頁: 035102   2023年7月

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

    DOI: https://doi.org/10.1063/5.0158046

  13. Selective molecular recognition of amino acids and their derivatives by cucurbiturils in aqueous solution: an MD/3D-RISM study 招待有り 査読有り 国際共著

    Natthiti Chiangraeng, Haruyuki Nakano, Piyarat Nimmanpipug, and Norio Yoshida

    Journal of Molecular Liquids   385 巻   頁: 122503   2023年7月

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    担当区分:最終著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1016/j.molliq.2023.122503

  14. A method for protein structure sampling under three-dimensional reference interaction site model solvation based on hybrid Monte Carlo framework 招待有り 査読有り

    Norio Yoshida, Tsuyoshi Yamaguchi

    Journal of Molecular Liquids   385 巻   頁: 122418   2023年6月

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

    DOI: 10.1016/j.molliq.2023.122418

  15. Effects of angular momentum and thermostat on molecular dynamics simulation of single-chain conformation in an implicit solvent 招待有り 査読有り

    Tsuyoshi Yamaguchi, Song-Ho Chong, Norio Yoshida

    Journal of Molecular Liquids   385 巻   頁: 122311   2023年6月

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

    DOI: 10.1016/j.molliq.2023.122311

  16. Theoretical Analysis of the Role of Water in Ligand Binding to Cucurbit[n]uril of Different Sizes 招待有り 査読有り 国際共著

    Natthiti Chiangraeng, Haruyuki Nakano, Piyarat Nimmanpipug, Norio Yoshida

    The Journal of Physical Chemistry B   127 巻 ( 16 ) 頁: 3651 - 3662   2023年4月

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    担当区分:最終著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.3c00343

  17. Phase equilibrium of three-component liquid systems composed of water, alcohol and sodium chloride studied by the reference interaction-site model integral equation theory 査読有り

    Tsuyoshi Yamaguchi, Song-Ho Chong, Norio Yoshida

    The Journal of Chemical Physics   158 巻   頁: 084502   2023年2月

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

    DOI: https://doi.org/10.1063/5.0142256

  18. Solvent effects in four-component relativistic electronic structure theory based on the reference interaction-site model

    Kanemaru Kodai, Watanabe Yoshihiro, Yoshida Norio, Nakano Haruyuki

    JOURNAL OF COMPUTATIONAL CHEMISTRY   44 巻 ( 1 ) 頁: 5 - 14   2023年1月

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    記述言語:英語  

    DOI: 10.1002/jcc.27009

    Web of Science

    PubMed

  19. Application of the reference interaction site model self- consistent field method based on the Dirac–Hartree–Fock wave function to a chemical reaction 査読有り

    Kodai Kanemaru, Yoshihiro Watanabe, Norio Yoshida, Haruyuki Nakano

    IOP Conference Series: Materials Science and Engineering   1280 巻   頁: 0122002   2023年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)  

    DOI: 10.1088/1757-899X/1280/1/012002

  20. Study of phase equilibria and thermodynamic properties of liquid mixtures using the integral equation theory: Application to water and alcohol mixtures

    Yamaguchi Tsuyoshi, Chong Song-Ho, Yoshida Norio

    JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS   157 巻 ( 23 ) 頁: 234502   2022年12月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:Journal of Chemical Physics  

    A theoretical method for calculating the thermodynamic properties and phase equilibria of liquid-liquid mixtures using the integral equation theory is proposed. The solvation chemical potentials of the two components are evaluated by the integral equation theory and the isothermal-isobaric variation of the total density with composition is determined to satisfy the Gibbs-Duhem relation. Given the density of a pure component, the method can calculate the densities of the mixture at any composition. Furthermore, it can treat the phase equilibrium without thermodynamic inconsistency with respect to the Gibbs-Duhem relation. This method was combined with the reference interaction-site model integral equation theory and applied to mixtures of water + 1-alcohol by changing the alcohol from methanol to 1-butanol. The destabilization of the mixing Gibbs energy by increasing the hydrophobicity of the alcohol and demixing of the water-butanol mixture were reproduced. However, quantitative agreement with experiments is not satisfactory, and further improvements of the integral equation theory and the molecular models are required.

    DOI: 10.1063/5.0131475

    Web of Science

    Scopus

    PubMed

  21. Computational Analysis of the SARS-CoV-2 RBD-ACE2-Binding Process Based on MD and the 3D-RISM Theory. 査読有り 国際共著 国際誌

    Yoshida N, Maruyama Y, Mitsutake A, Kuroda A, Fujiki R, Kanemaru K, Okamoto D, Kobryn AE, Gusarov S, Nakano H

    Journal of chemical information and modeling     2022年5月

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

    DOI: 10.1021/acs.jcim.2c00192

    PubMed

  22. Binding of cardiolipin to the KcsA channel at the membrane outer leaflet allosterically opens the inner gate

    Masataka Inada, Masayuki Iwamoto, Norio Yoshida, Shigetoshi Oiki, Nobuaki Matsumori

        2022年2月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Cold Spring Harbor Laboratory  

    DOI: 10.1101/2022.02.08.479071

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  23. Recent Developments of Computational Methods for p<i>K</i><sub>a</sub> Prediction Based on Electronic Structure Theory with Solvation Models

    Ryo Fujiki, Toru Matsui, Yasuteru Shigeta, Haruyuki Nakano, Norio Yoshida

    J   4 巻 ( 4 ) 頁: 849 - 864   2021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:{MDPI} {AG}  

    <jats:p>The protonation/deprotonation reaction is one of the most fundamental processes in solutions and biological systems. Compounds with dissociative functional groups change their charge states by protonation/deprotonation. This change not only significantly alters the physical properties of a compound itself, but also has a profound effect on the surrounding molecules. In this paper, we review our recent developments of the methods for predicting the Ka, the equilibrium constant for protonation reactions or acid dissociation reactions. The pKa, which is a logarithm of Ka, is proportional to the reaction Gibbs energy of the protonation reaction, and the reaction free energy can be determined by electronic structure calculations with solvation models. The charge of the compound changes before and after protonation; therefore, the solvent effect plays an important role in determining the reaction Gibbs energy. Here, we review two solvation models: the continuum model, and the integral equation theory of molecular liquids. Furthermore, the reaction Gibbs energy calculations for the protonation reactions require special attention to the handling of dissociated protons. An efficient method for handling the free energy of dissociated protons will also be reviewed.</jats:p>

    DOI: 10.3390/j4040058

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  24. Structure and Properties of Supercritical Water: Experimental and Theoretical Characterizations

    Norio Yoshida, Masaru Matsugami, Yuichi Harano, Keiko Nishikawa, Fumio Hirata

    J   4 巻 ( 4 ) 頁: 698 - 726   2021年11月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:MDPI AG  

    Water in the supercritical region of the phase diagram exhibits a markedly different structure and properties from that at ambient conditions, which is useful in controlling chemical reactions. Nonetheless, the experimental, as well as theoretical, characterization of the substance is not easy because the region is next to the critical point. This article reviews the experimental as well as theoretical studies on water in the supercritical region and its properties as a solvent for chemical reactions, as carried out by the authors and based on small-angle X-ray scattering and the statistical mechanics theory of molecular liquids, also known as reference interaction-site model (RISM) theory.

    DOI: 10.3390/j4040049

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  25. Modeling the interaction of SARS-CoV-2 binding to the ACE2 receptor via molecular theory of solvation

    Kobryn Alexander E., Maruyama Yutaka, Velazquez-Martinez Carlos A., Yoshida Norio, Gusarov Sergey

    NEW JOURNAL OF CHEMISTRY   45 巻 ( 34 ) 頁: 15448 - 15457   2021年9月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:New Journal of Chemistry  

    The angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) protein is a cell gate receptor for the SARS-CoV-2 virus, responsible for the development of symptoms associated with the Covid-19 disease. Pharmacological inhibition of the SARS-CoV-2 spike receptor binding domain (RBD) and ACE2 interaction is one of the most attractive ways to prevent viral replication in human cells. Unfortunately, at this stage there is no complete picture of this process and so the computational modelling might provide an important insight valuable for the development of new and efficient inhibitors. In this work we propose the use of the molecular theory of solvation to study the nanomorphology of the spike-ACE2 binding formed by a complex solvent (water, ions, and dissolved drug-like molecules) and leading to the viral protein with cell membrane receptors. In contrast to the typical molecular dynamics, the statistical-mechanical theory of solvation directly provides distributions of complex solvents around the binding location as well as the thermodynamics of solvation. We present an example of the application of the three-dimensional theory of solvation to model the nanomorphology formed by solvent environment around binding surfaces of interacting proteins. The results of our calculations are compared with the other published data. Our recent developments allow the application of the methodology to be extended to potential drug screening and virulence analysis.

    DOI: 10.1039/d1nj02015c

    Web of Science

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  26. Temperature-responsive morphology formation of a PS-b-PI copolymer: a dissipative particle dynamics simulation study

    Chiangraeng Natthiti, Keyen Ukrit, Yoshida Norio, Nimmanpipug Piyarat

    SOFT MATTER   17 巻 ( 25 ) 頁: 6248 - 6258   2021年7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: 10.1039/d1sm00152c

    Web of Science

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  27. A computational method to simulate global conformational changes of proteins induced by cosolvent

    Tanimoto Shoichi, Tamura Koichi, Hayashi Shigehiko, Yoshida Norio, Nakano Haruyuki

    JOURNAL OF COMPUTATIONAL CHEMISTRY   42 巻 ( 8 ) 頁: 564 - 571   2021年3月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Journal of Computational Chemistry  

    A computational method to investigate the global conformational change of a protein is proposed by combining the linear response path following (LRPF) method and three-dimensional reference interaction site model (3D-RISM) theory, which is referred to as the LRPF/3D-RISM method. The proposed method makes it possible to efficiently simulate protein conformational changes caused by either solutions of varying concentrations or the presence of cosolvent species by taking advantage of the LRPF and 3D-RISM. The proposed method is applied to the urea-induced denaturation of ubiquitin. The LRPF/3D-RISM trajectories successfully simulate the early stage of the denaturation process within the simulation time of 300 ns, whereas no significant structural change is observed even in the 1 μs standard MD simulation. The obtained LRPF/3D-RISM trajectories reproduce the mechanism of the urea denaturation of ubiquitin reported in previous studies, and demonstrate the high efficiency of the method.

    DOI: 10.1002/jcc.26481

    Web of Science

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  28. Cover Image

    Shoichi Tanimoto, Koichi Tamura, Shigehiko Hayashi, Norio Yoshida, Haruyuki Nakano

    Journal of Computational Chemistry   42 巻 ( 8 )   2021年3月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Wiley  

    DOI: 10.1002/jcc.26502

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  29. Solvation dynamics in electronically polarizable solvents: Theoretical treatment using solvent-polarizable three-dimensional reference interaction-site model theory combined with time-dependent density functional theory

    Yamaguchi Tsuyoshi, Yoshida Norio

    JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS   154 巻 ( 4 ) 頁: 044504   2021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)   出版者・発行元:Journal of Chemical Physics  

    The theory of solvation structure in an electronically polarizable solvent recently proposed by us, referred to as the "solvent-polarizable three-dimensional reference interaction-site model theory,"is extended to dynamics in this study through the combination with time-dependent density functional theory. Test calculations are performed on model charge-transfer systems in water, and the effects of electronic polarizability on solvation dynamics are examined. The electronic polarizability slightly retards the solvation dynamics. This is ascribed to the decrease in the curvature of the nonequilibrium free energy profile along the solvation coordinate. The solvent relaxation is bimodal, and the faster and the slower modes are assigned to the reorientational and the translational modes, respectively, as was already reported by the surrogate theory combined with the site-site Smoluchowski-Vlasov equation. The relaxation path along the solvation coordinate is a little higher than the minimum free energy path because the translational mode is fixed in the time scale of the reorientational relaxation.

    DOI: 10.1063/5.0036289

    Web of Science

    Scopus

    PubMed

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  30. Molecular Recognition and Self-Organization in Life Phenomena Studied by a Statistical Mechanics of Molecular Liquids, the RISM/3D-RISM Theory

    Sugita Masatake, Onishi Itaru, Irisa Masayuki, Yoshida Norio, Hirata Fumio

    MOLECULES   26 巻 ( 2 )   2021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)   出版者・発行元:Molecules  

    There are two molecular processes that are essential for living bodies to maintain their life: the molecular recognition, and the self-organization or self-assembly. Binding of a substrate by an enzyme is an example of the molecular recognition, while the protein folding is a good example of the self-organization process. The two processes are further governed by the other two physicochemical processes: solvation and the structural fluctuation. In the present article, the studies concerning the two molecular processes carried out by Hirata and his coworkers, based on the statistical mechanics of molecular liquids or the RISM/3D-RISM theory, are reviewed.

    DOI: 10.3390/molecules26020271

    Web of Science

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書籍等出版物 2

  1. Self-Consistent Treatment of Solvation Structure with Electronic Structure Based on 3D-RISM Theory

    Yoshida N.

    Recent Advances of the Fragment Molecular Orbital Method: Enhanced Performance and Applicability  2021年1月  ( ISBN:9789811592355, 9789811592348

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    The solvent effects on the electronic structure of biomolecules are essential for considering their functions and structures. The three-dimensional reference interaction site model (3D-RISM) theory is a statistical mechanics integral equation theory of molecular liquids. It is suitable for describing the solvation structure of large molecules, i.e., the main target of the fragment molecular orbital (FMO) approach. The hybrid method of FMO and 3D-RISM, referred to as FMO/3D-RISM, enables us to investigate the electronic structure of large molecules in solution as well as solvation thermodynamics at the molecular level. This chapter describes the theoretical background of the 3D-RISM theory, the formalism of the hybrid method of 3D-RISM and quantum chemical theory including the FMO, and the applications of these methods.

    DOI: 10.1007/978-981-15-9235-5_24

    Scopus

  2. Molecular basics of liquids and liquid-based materials

    Nishiyama Katsura, Yamaguchi Tsuyoshi, Takamuku Toshiyuki, Yoshida Norio

    Springer  2021年  ( ISBN:9789811653940

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    記述言語:英語

    CiNii Books

講演・口頭発表等 27

  1. Development of multi-scale theory for molecular liquids 招待有り 国際会議

    Norio Yoshida

    Chula Mini-Symposium on Protein Dynamics in Living System  2024年9月13日 

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    開催年月日: 2024年9月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    開催地:Chulalongkorn University, Bangkok   国名:タイ王国  

  2. Development of multi-scale theory for molecular liquids 国際会議

    Norio Yoshida

    Workshop on Biomaterial design inspired by the origin of life caused by liquid-liquid phase separation in dynamic solution environment  2024年9月10日 

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    開催年月日: 2024年9月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    開催地:Kasetsart University, Bangkok   国名:タイ王国  

  3. Development of In-Silico Material Design Tool Based on the Molecular Theory of Solvation 招待有り 国際会議

    Norio Yoshida

    International Congress on pure & applied chemistry (ICPAC MONGOLIA 2024)  2024年8月29日 

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    開催年月日: 2024年8月 - 2024年9月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    開催地:Holliday-inn Ullanbaatar, Ulaanbaatar   国名:モンゴル国  

  4. Development of In-Silico Material Design Tool Based on the Molecular Theory of Solvation 招待有り 国際会議

    Norio Yoshida

    The 27th International Annual Symposium on Computational Science and Engineering (ANSCSE27)  2024年7月31日 

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    開催年月日: 2024年7月 - 2024年8月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    開催地:Chulalongkorn University, Bangkok   国名:タイ王国  

  5. 液体の統計力学理論と分子シミュレーションによる生体分子の機能と構造の理論研究 招待有り

    吉田紀生

    膜-チャネル研究会  2024年6月29日 

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    開催年月日: 2024年6月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    開催地:AOSSA福井,福井市   国名:日本国  

  6. Theoretical study on the solvation biomolecules by the RISM/3D-RISM theory 招待有り 国際会議

    Norio Yoshida, Tsuyoshi Yamaguchi

    2024年6月12日 

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    開催年月日: 2024年6月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    国名:カザフスタン共和国  

  7. 3D-RISM理論と分子シミュレーションによる生体分子の構造と機能の解析手法の開発と応用 招待有り

    吉田紀生

    スーパーコンピュータワークショップ2023  2024年1月15日 

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    開催年月日: 2024年1月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    開催地:岡崎コンファレンスセンター, 岡崎市   国名:日本国  

  8. Development of protein structure sampling method with 3D-RISM solvation theory 国際会議

    Norio Yoshida

    Telluride Winter Workshop on Fluctuations and Dynamics in Biomolecular Function  2024年1月10日 

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    開催年月日: 2024年1月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    開催地:Ah Haa School for the Arts, Telluride   国名:アメリカ合衆国  

  9. Development of In-Silico Material Design Tool Based on the Molecular Theory of Solvation 招待有り 国際会議

    Norio Yoshida

    5th international conference on materials research and innovation (ICMARI2023)  2023年12月14日  Kasetsart University

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    開催年月日: 2023年12月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(基調)  

    開催地:Maruay Garden hotel, Bangkok   国名:タイ王国  

  10. 液体の統計力学理論に基づく生体分子モデリングのためのマルチスケール手法の開発 招待有り

    吉田紀生

    第4回生体分子シミュレーション・モデリング研究会  2023年11月15日  生体分子シミュレーション・モデリング研究会

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    開催年月日: 2023年11月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    開催地:名古屋国際会議場, 名古屋市   国名:日本国  

  11. Solvation and structural fluctuation of protein: a statistical mechanics approach 国際会議

    Norio Yoshida

    Computational Biophysics and Chemistry Symposium  2023年9月22日  David Coker and John Straub

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    開催年月日: 2023年9月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    開催地:Boston University   国名:アメリカ合衆国  

  12. Statistical mechanics approach for chemical and biological processes in solution 招待有り 国際会議

    Norio Yoshida

    2023年9月8日 

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    開催年月日: 2023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  

  13. 生体分子の溶媒和理論に基づく溶液内分子の電子状態理論の構築と応用 招待有り

    吉田紀生

    第35回DV-Xα研究会  2023年9月7日  DV-Xα研究会

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    開催年月日: 2023年9月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    開催地:九州工業大学戸畑キャンパス   国名:日本国  

  14. DEVELOPMENT OF MOLECULAR THEORY OF SOLVATION FOR BIOMOLECULAR SYSTEMS 招待有り 国際会議

    Norio Yoshida

    The 26th International Annual Symposium on Computational Science and Engineering (ANSCSE26)  2023年7月8日 

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    開催年月日: 2023年7月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    開催地:Patthaya   国名:タイ王国  

  15. 生体分子の構造と相互作用解析のための液体の統計力学理論開発 招待有り

    吉田紀生

    第23回日本蛋白質科学会年会  2023年7月7日  日本蛋白質科学会

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    開催年月日: 2023年7月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    開催地:名古屋国際会議場   国名:日本国  

  16. Recent developments in molecular solvation theory 招待有り 国際会議

    Norio Yoshida

    StudyCamp2022  2023年3月6日 

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    開催年月日: 2023年3月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

  17. Molecular Solvation Theory for Material Design 招待有り 国際会議

    Norio Yoshida

    10th Asia Pacific Conference of Theoretical and Computational Chemistry  2023年2月19日 

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    開催年月日: 2023年2月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    開催地:Quy Nhon   国名:ベトナム社会主義共和国  

  18. Molecular Solvation Theory for Material Design 招待有り 国際会議

    Norio Yoshida

    4th International Conference on Materials Research and Innovation  2022年12月16日 

     詳細を見る

    開催年月日: 2022年12月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    開催地:The Emerald Hotel, Bangkok   国名:タイ王国  

  19. Development of a hybrid method of three-dimensional reference interaction-site model theory and quantum chemical electronic structure theory for biomoleculese 招待有り 国際会議

    Norio Yoshida

    International Congress on Pure & Applied Chemistry Kota Kinabalu  2022年11月22日 

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    開催年月日: 2022年11月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    開催地:The Magellan Sutera Resort, Sabah   国名:マレーシア  

  20. 生体分子のための動的溶媒和理論の開発 国際会議

    吉田紀生

    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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    開催年月日: 2022年9月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    開催地:函館アリーナ   国名:日本国  

  21. Development of theory of solvation and fluctuation of biomolecule 招待有り 国際会議

    Norio Yoshida

    Joint Meeting of the 20th KIAS Conference on Protein Structure and Function and The 7th Korean-Polish Conference on "Protein Folding: Theoretical and Experimental Approache  2022年9月16日 

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    開催年月日: 2022年9月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    開催地:Korea Institute for Advanced Study, Seoul   国名:大韓民国  

  22. 生体分子の溶媒和統計力学理論によるタンパク質機能解析への展開 招待有り

    吉田紀生

    物性研短期研究会2022「理論タンパク質物性科学の最前線:理論と実験の密な協働」  2022年7月26日 

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    開催年月日: 2022年7月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    国名:日本国  

  23. Development of a solvent-polarizable three-dimensional reference interaction-site model theory 招待有り 国際会議

    Norio Yoshida, Tsuyoshi Yamaguchi

    12th Triennial Congress of the World Association of Theoretical and Computational Chemists  2022年7月7日 

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    開催年月日: 2022年7月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    国名:カナダ  

  24. STATISTICAL MECHANICS THEORY OF BIOMOLECULAR SOLVATION 招待有り 国際会議

    Norio Yoshida

    The 25th International Annual Symposium on Computational Science and Engineering (ANSCSE25)  2022年6月10日 

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    開催年月日: 2022年6月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    国名:タイ王国  

  25. 生体分子の溶媒和理論によるタンパク質の構造と機能に関する研究 招待有り

    吉田紀生

    第22回蛋白質科学会年会  2022年6月9日 

     詳細を見る

    開催年月日: 2022年6月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    開催地:つくば国際会議場  

  26. 3D-RISM理論を基盤としたマルチスケール手法の開発と展開 招待有り

    吉田紀生

    電気化学界面コンソーシアム 2022年第1回研究会  2022年6月1日 

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    開催年月日: 2022年6月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

  27. Molecular Solvation Theory for Material Design 招待有り 国際会議

    Norio Yoshida

    10TH ASIA-PACIFIC ASSOCIATION OF THEORETICAL AND COMPUTATIONAL CHEMISTRY CONFERENCE (APATCC)  2023年2月19日 

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    開催年月日: 2022年2月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    開催地:the International Centre for Interdisciplinary Science and Education (ICISE), Quy Nhon   国名:ベトナム社会主義共和国  

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共同研究・競争的資金等の研究課題 4

  1. 動的溶液環境のセンシングおよび液-液相分離の制御と予測

    2024年4月 - 2026年3月

    豊田理化学研究所  2024年度豊田理研スカラー共同研究Phase2 

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    担当区分:研究分担者  資金種別:競争的資金

    配分額:1000000円 ( 直接経費:1000000円 )

  2. アミロイド触媒に着想した人工蛋白質から明らかにする原始代謝系の起源

    2024年4月 - 2025年3月

    自然科学研究機構  生命創成探究センター ExCELLSプロジェクト研究 

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    担当区分:研究分担者  資金種別:競争的資金

    配分額:600000円 ( 直接経費:600000円 )

  3. 酸化還元状態と共役したタンパク質の液-液相分離の解析と制御を可能にする分子ツールの開発

    研究課題番号:R4-73  2023年4月 - 2024年3月

    豊田理化学研究所  2023年度豊田理研スカラー共同研究 

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    担当区分:研究代表者  資金種別:競争的資金

    配分額:600000円 ( 直接経費:600000円 )

  4. バイオ・高分子ビッグデータ駆動による完全循環型バイオアダプティブ材料の創出

    2023年4月

    バイオ・高分子ビッグデータ駆動 データ創出・活用型マテリアル研究開発プロジェクト 

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    担当区分:研究分担者  資金種別:競争的資金

科研費 9

  1. 溶液環境による分子凝集制御機構の究明と分子設計ツールの創成

    研究課題/研究課題番号:24K01434  2024年4月 - 2028年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業   基盤研究(B)

    菅瀬謙治, 池田将, 山口毅

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    担当区分:研究代表者  資金種別:競争的資金

    配分額:18720000円 ( 直接経費:14400000円 、 間接経費:4320000円 )

  2. 動的溶液環境における天然変性タンパク質自己凝縮過程の理論研究

    研究課題/研究課題番号:22H05089  2022年5月 - 2025年3月

    日本学術振興会  科学研究費  学術変革領域研究(B)

    吉田紀生

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    担当区分:研究代表者  資金種別:競争的資金

    配分額:23920000円 ( 直接経費:18400000円 、 間接経費:5520000円 )

  3. 高分子有機摩擦調整剤の最適設計-分子構造をマクロ摩擦特性につなぐ計算スキーム

    研究課題/研究課題番号:24H00282  2024年3月 - 2028年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(A)

    張賀東, 塚本眞幸, 東直輝, 宋玉璽, 安田耕二

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    担当区分:研究分担者  資金種別:競争的資金

  4. 動的溶液科学の推進

    研究課題/研究課題番号:22H05087  2022年5月 - 2025年3月

    科学研究費助成事業  学術変革領域研究(B)

    関山 直孝, 菅瀬 謙治, 吉田 紀生, 中村 秀樹, 山口 毅

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    担当区分:研究分担者 

    本研究領域は、化学的・物理的な状態が時空間的に変動する動的溶液環境に着目し、動的溶液環境が天然変性タンパク質の自己凝縮過程を制御する機構の解明を目指す。そのために、各計画研究で得られた結果や知見を統合し相互循環させることで力強く領域を推進する。加えて、領域内で得られた研究成果や研究手法を幅広い分野に向けて発信し、同時に他分野の知見も積極的に取り入れることで、本研究領域の発展を目指す。

  5. アミロイド触媒型の原始酵素モデルに着想した人工酵素のデザインと応用

    研究課題/研究課題番号: 22H01873  2022年4月 - 2025年3月

    日本学術振興会  科学研究費補助金  アミロイド触媒型の原始酵素モデルに着想した人工酵素のデザインと応用

    吉田紀生

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    担当区分:研究分担者  資金種別:競争的資金

    配分額:2600000円 ( 直接経費:2000000円 、 間接経費:600000円 )

  6. アミロイド触媒型の原始酵素モデルに着想した人工酵素のデザインと応用

    研究課題/研究課題番号:23K23141  2022年4月 - 2025年3月

    科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    真壁 幸樹, 吉田 紀生, 矢野 成和

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    担当区分:研究分担者 

    本研究では、アミロイド触媒からなる原始酵素の進化モデルに着想を得て全く新しいタイプの人工酵素を構築する。通常、生体内の化学反応は酵素によって触媒されているが、酵素がどのように生命の誕生と関連するかわかっていない。本研究で対象とするアミロイド触媒を模倣した蛋白質分子によって、蛋白質やペプチドの原始的な化学反応の触媒活性について解明を目指す。
    本研究では触媒活性のあるアミロイド(アミロイド触媒)の部分配列を我々がこれまで研究してきたペプチド会合模倣体(PSAM)へ移植し、球状タンパク質上で活性を詳細に評価を行う。
    これまでのアミロイド触媒で亜鉛をヒスチジンに配位させた構造が報告されているため、この構造の模倣から研究を開始した。PSAMのβシート上の片面にヒスチジンを24箇所と8箇所導入した変異体を作製した(それぞれCat-H24およびCat-H8と命名)。これらは人工遺伝子合成サービスを利用して、目的遺伝子を作った。
    Cat-H24およびCat-H8遺伝子を大腸菌組換え体として発現し、Ni-NTAカラムにて精製を行った。精製後のサンプルのpoly-Hisタグをスロンビン消化にて切断除去したサンプルを調製した。CDスペクトルにて元のPSAMと同様のβシートに富んだ構造を有していることを見出した。また、サイズ排除クロマトグラフィーの結果から、Cat-H24は実験条件にて主に二量体、Cat-H8は主に単量体として存在していることが明らかとなった。
    この二種類のPSAM変異体について、触媒活性をエステル加水分解と脱リン酸化反応で評価した。これら2つの反応を利用した理由は、反応生成物として色を持つ分子が生成する系を利用することで、簡便に反応速度論を評価することができるためである。触媒反応測定の結果、Cat-H24はエステル加水分解活性を持ち、金属イオンが不要であることが明らかとなった。これは報告のあるアミロイド触媒とことなるため反応メカニズムの解明を進めていく。また、脱リン酸化反応ではマグネシウムイオン依存的にCat-H24の触媒活性が現れることが明らかとなった。
    以上から、現時点でアミロイド触媒の触媒活性を移植したモデル蛋白質分子の設計に成功している。
    設計したβシートモデルタンパク質を組換え体蛋白質として作製・精製に成功しており、二次構造特性や会合状態の評価を完了した。また、活性測定でエステル加水分解活性とリン酸脱離活性があることが明らかとなった。このため、本研究課題を進行する上で予定通りのスタートが実現できたため。
    触媒活性評価から、当初の予定通りの活性を得ることができた。このため、より詳細な活性評価とその構造解析について研究を進めていく予定である。また、どのような反応に関して触媒活性を持っているのか明らかにするため、ATPの加水分解活性測定を開始する。エステルの加水分解反応では分担者が基質結合に関して分子シミュレーションで評価する方法を試行しており、分子シミュレーションも進めていく予定である。

  7. 高度に溶媒応答を考慮した生体系の電子移動ダイナミクス理論の構築と展開

    研究課題/研究課題番号:19H02677  2019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(B)  基盤研究(B)

    吉田 紀生, 山口 毅, 中野 晴之, 山口 毅, 中野 晴之

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    担当区分:研究代表者 

    配分額:17420000円 ( 直接経費:13400000円 、 間接経費:4020000円 )

    生体系の電子移動過程においては、電子供与体および受容体をとりまく生体分子や溶媒分子といった環境のさまざまな性質が反応性に影響を与える。特に水分子の分布や配向の変化そして分極といった応答は電子移動の反応性を支配する重要な要因である。
    本研究では、分子性液体の積分方程式理論を基盤として、電子状態理論および溶媒和ダイナミクス理論を組み合わせることで、高度に溶媒の応答を考慮した溶液内および生体内電子移動反応理論を構築する。この理論を用いて、生体内電子移動過程における電子状態変化と溶媒和ダイナミクスの相関を明らかにする。
    生体系の電子移動過程においては、電子供与体および受容体をとりまく生体分子や溶媒分子といった環境のさまざまな性質が反応性に影響を与える。特に水分子の分布や配向の変化そして分極といった応答は電子移動の反応性を支配する重要な要因である。本研究では、分子性液体の積分方程式理論を基盤として、電子状態理論および溶媒和ダイナミクス理論を組み合わせることで、高度に溶媒の応答を考慮した溶液内および生体内電子移動反応理論を構築する。この理論を用いて、生体内電子移動過程における電子状態変化と溶媒和ダイナミクスの相関を明らかにすることを目的とする。
    本年度は生体分子の溶媒和理論である3D-RISM理論を拡張し、溶媒分極を取り入れた新理論の開発、およびプログラム実装を行った。溶媒分極はチャージレスポンスカーネル法により実装した。これにより、溶媒分極という量子化学的効果を古典電磁気学の範囲内で評価することを可能とした。理論構築にあたり、溶媒に作用する他の分子の分極効果をどのように取り込むか、取り込みによって誘電物性がどのように変化するかを明らかにした。本研究では、溶質分極による効果、周囲の溶媒分子の効果、周囲の分極した溶媒分子の効果のそれぞれについて見当し、そのすべてを取り込むことで高精度な記述を可能とした。
    また、これに並行して、拡張MOZプログラムの開発・整備を行った。この拡張にあたっては応募者がすでに開発済みのMOZプログラムを基盤とした開発を行った。
    溶媒分極型積分方程式理論の開発に成功し、プログラムの実装、応用計算および論文投稿まで行うことができた。さらにこの手法を基に、研究計画にはなかった新たな方法の着想得ることができた。このため、当初の計画以上に進展していると判断した。
    今後は、溶媒分極型積分方程式理論に対する、溶媒和ダイナミックス理論および非平衡溶媒和自由エネルギー理論の定式化およびプログラム実装を行う。この手法を、溶液内電子移動ダイナミックスへ応用する。
    また、引き続き拡張MOZ方程式理論の開発も並行して行う。

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  8. Theoretical study of chemical and biological processes in solution by means of statistical mechanics of molecular liquids

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    資金種別:競争的資金

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  9. 液体の統計力学理論に立脚した溶液内化学・生物過程に関する理論的研究

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    資金種別:競争的資金

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担当経験のある科目 (本学) 1

  1. シミュレーション・サイエンス2

    2022

担当経験のある科目 (本学以外) 1

  1. バイオ・高分子マテリアルDX論

    2024年10月 京都大学)

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    科目区分:大学院専門科目  国名:日本国