ホーム | 計算科学研究センター

多様なC–X結合形成に有効な有機光触媒『ヘテロ[8]サーキュレン』の電気化学的カスケード合成

これまでに報告されているヘテロ[8]サーキュレンは、大きく3種類に分類され、いずれも対称分子でした。本研究では、市販原料を用いた電気化学的ワンポット合成により、6つの新規結合を同時に構築し、5つの六員環と3つの五員環から成る新規ジオキサアザ[8]サーキュレンの合成に成功しました。反応基質の酸化電位差に着目し、分子間および分子内カップリングを選択的に制御することで、最大83％の収率と幅広い官能基許容性を実現しました。さらに、X線結晶構造解析、分光学的解析、DFT計算により特性を詳細に解明した結果、365 nm LED照射下において遷移金属を用いない光触媒的クロスカップリング反応が進行することを見出し、最高97％の収率で目的生成物を得ることに成功しました。

A. S. Gabr, M. S. H. Salem*, M. I. Khalid, R. Takahashi, Y. Nishimoto, M. Yasuda, S. Takizawa*, Nat. Commun., 16, 5682 (2025).

多様なC–X結合形成に有効な有機光触媒『ヘテロ[8]サーキュレン』の電気化学的カスケード合成

これまでに報告されているヘテロ[8]サーキュレンは、大きく3種類に分類され、いずれも対称分子でした。本研究では、市販原料を用いた電気化学的ワンポット合成により、6つの新規結合を同時に構築し、5つの六員環と3つの五員環から成る新規ジオキサアザ[8]サーキュレンの合成に成功しました。反応基質の酸化電位差に着目し、分子間および分子内カップリングを選択的に制御することで、最大83％の収率と幅広い官能基許容性を実現しました。さらに、X線結晶構造解析、分光学的解析、DFT計算により特性を詳細に解明した結果、365 nm LED照射下において遷移金属を用いない光触媒的クロスカップリング反応が進行することを見出し、最高97％の収率で目的生成物を得ることに成功しました。

A. S. Gabr, M. S. H. Salem*, M. I. Khalid, R. Takahashi, Y. Nishimoto, M. Yasuda, S. Takizawa*, Nat. Commun., 16, 5682 (2025).

分子シミュレーション×AIでトランスポータータンパク質の構造変化を解明

トランスポータータンパク質は、細胞膜に存在していて、様々な基質を細胞内外に輸送します。基質輸送の際には、交互アクセスと呼ばれる構造変化を伴うメカニズムで基質を輸送していると考えられています。よって、その仕組みを理解するには構造変化を解明する必要があります。我々は、野菜やナッツ類などに含まれ尿路結石の原因ともなるシュウ酸を輸送するシュウ酸トランスポーターを対象にして、分子動力学（MD）シミュレーションと構造予測AI AlphaFoldを組み合わせることで、その構造変化を解明しました。実験的に解析が困難な内開き構造をMDシミュレーションにより予測し、さらに、AlphaFoldにより内開き構造を安定化する変異を予測することに成功しました。

Accelerated Molecular Dynamics and AlphaFold Uncover a Missing Conformational State of Transporter Protein OxlT
J. Ohnuki, T. Jaunet-Lahary, A. Yamashita, and K. Okazaki, J. Phys. Chem. Lett. 15, 725–732 (2024).

電子状態インフォマティクスによる一重項分裂を利用した高効率太陽電池材料の迅速探索

化石燃料から環境に優しい再生可能なエネルギー源への移行は、今日の社会と科学分野の中心的な課題の一つである。世界のエネルギー研究において、持続可能なエネルギー生産は記録的な伸びを示しているが、更なる改善が望まれている。太陽エネルギーの利用は、近い将来有望な解決案の一つになると考えられている。

本研究では、半経験的分子軌道法、時間依存密度汎関数法、機械学習を組み合わせた「電子構造インフォマティクス」のアプローチにより、天然色素として有名なインジゴをベースにした400万種以上の誘導体から「一重項分裂」による多重励起子生成で高効率の太陽電池材料となり得る分子を探索した。得られた有望候補分子とそうでない分子の化学構造をランダムフォレスト分類することで一重項分裂を効果的に示す化学構造の規則を見出し、対称的で高い合成可能性を持つ候補物質を提案した。

Weber F., Mori H., npj Comput. Mater., 8, 176 (2022).

電子状態インフォマティクスによる一重項分裂を利用した高効率太陽電池材料の迅速探索

化石燃料から環境に優しい再生可能なエネルギー源への移行は、今日の社会と科学分野の中心的な課題の一つである。世界のエネルギー研究において、持続可能なエネルギー生産は記録的な伸びを示しているが、更なる改善が望まれている。太陽エネルギーの利用は、近い将来有望な解決案の一つになると考えられている。

本研究では、半経験的分子軌道法、時間依存密度汎関数法、機械学習を組み合わせた「電子構造インフォマティクス」のアプローチにより、天然色素として有名なインジゴをベースにした400万種以上の誘導体から「一重項分裂」による多重励起子生成で高効率の太陽電池材料となり得る分子を探索した。得られた有望候補分子とそうでない分子の化学構造をランダムフォレスト分類することで一重項分裂を効果的に示す化学構造の規則を見出し、対称的で高い合成可能性を持つ候補物質を提案した。

Weber F., Mori H., npj Comput. Mater., 8, 176 (2022).

二価カチオンによるイオンチャネルの活性阻害機構の解析

神経活動はイオンチャネルによって複雑な調節を受けています。本研究では、イオンチャネルのイオン透過を二価カチオンが阻害する様子を分子動力学シミュレーションで再現し、その阻害機構を解明しました。イオンチャネルの内腔に親水的な環境を導入することで二価カチオンが安定して存在することができる様子が観察されました。この二価カチオンの滞留により、イオン電流が生じにくくなるということが明らかになりました。本成果は多価イオンの分子動力学シミュレーションでの再現などについても新たな知見を提供します。

K. Irie, Y. Oda, T. Sumikama, A. Oshima, Y. Fujiyoshi, Nat. Commun., 14, 4236 (2023).

二価カチオンによるイオンチャネルの活性阻害機構の解析

神経活動はイオンチャネルによって複雑な調節を受けています。本研究では、イオンチャネルのイオン透過を二価カチオンが阻害する様子を分子動力学シミュレーションで再現し、その阻害機構を解明しました。イオンチャネルの内腔に親水的な環境を導入することで二価カチオンが安定して存在することができる様子が観察されました。この二価カチオンの滞留により、イオン電流が生じにくくなるということが明らかになりました。本成果は多価イオンの分子動力学シミュレーションでの再現などについても新たな知見を提供します。

K. Irie, Y. Oda, T. Sumikama, A. Oshima, Y. Fujiyoshi, Nat. Commun., 14, 4236 (2023).

細胞内でリン光を発する金銀ナノクラスター

発光性金属ナノクラスターは，配位子構造や金属の種類・核数や配列により，クラスター構造に特異な物性が発現することが期待される。本研究では，含窒素複素環状カルベン（NHC）配位子を用いた炭素中心金銀（CAu₆Ag₂）クラスターを設計・合成し，このクラスターが溶液中で強いリン光を発光することを見出し，NHC配位子がリン光発光に寄与することを理論計算により明らかにした。スピン軌道相互作用を含む解析によって発光速度定数を算出し，最小エネルギー交差点へのエネルギー障壁で量子収率を議論した。さらに，この発光寿命の長いリン光性金銀クラスターを細胞イメージングに用いたところ，細胞への取込みの経路や特定の小器官に選択的に局在することが明らかになり，従来のホスフィン配位子の非選択的な取込みとは異なる優れた機能が確認された。
Z. Lei, M. Endo, H. Ube, T. Shiraogawa, P. Zhao, K. Nagata, X.-L. Pei, T. Eguchi, T. Kamachi, M. Ehara, T. Ozawa, M. Shionoya Nature Commun. 13, 4288-1-9 (2022).

細胞内でリン光を発する金銀ナノクラスター

発光性金属ナノクラスターは，配位子構造や金属の種類・核数や配列により，クラスター構造に特異な物性が発現することが期待される。本研究では，含窒素複素環状カルベン（NHC）配位子を用いた炭素中心金銀（CAu₆Ag₂）クラスターを設計・合成し，このクラスターが溶液中で強いリン光を発光することを見出し，NHC配位子がリン光発光に寄与することを理論計算により明らかにした。スピン軌道相互作用を含む解析によって発光速度定数を算出し，最小エネルギー交差点へのエネルギー障壁で量子収率を議論した。さらに，この発光寿命の長いリン光性金銀クラスターを細胞イメージングに用いたところ，細胞への取込みの経路や特定の小器官に選択的に局在することが明らかになり，従来のホスフィン配位子の非選択的な取込みとは異なる優れた機能が確認された。
Z. Lei, M. Endo, H. Ube, T. Shiraogawa, P. Zhao, K. Nagata, X.-L. Pei, T. Eguchi, T. Kamachi, M. Ehara, T. Ozawa, M. Shionoya Nature Commun. 13, 4288-1-9 (2022).

新型コロナウイルスのRNA依存性RNAポリメラーゼにおけるレムデシビルのバケツリレー

新型コロナウイルスの遺伝子を複製するタンパク質（RNA依存性RNAポリメラーゼ）にレムデシビルが取り込まれる過程を分子動力学シミュレーションで解明しました。レムデシビルにはマイナス電荷を持つリン酸基があり、RNAポリメラーゼの結合サイトにはMg²⁺イオンがあります。さらにRNAポリメラーゼにはプラス電荷を持つアミノ酸であるリジン残基が結合サイトに向かって一列に並んでいます。リジン残基がレムデシビルのリン酸基を引きよせ、それを隣のリジン残基に受け渡すことを繰り返しながら、バケツリレーのように薬剤を結合サイトに運んでいることが明らかになりました。

S. Tanimoto, S. G. Itoh, and H. Okumura: Biophys. J. (2021), DOI: 10.1016/j.bpj.2021.07.026, “Bucket brigade” using lysine residues in RNA-dependent RNA polymerase of SARS-CoV-2

新型コロナウイルスのRNA依存性RNAポリメラーゼにおけるレムデシビルのバケツリレー

新型コロナウイルスの遺伝子を複製するタンパク質（RNA依存性RNAポリメラーゼ）にレムデシビルが取り込まれる過程を分子動力学シミュレーションで解明しました。レムデシビルにはマイナス電荷を持つリン酸基があり、RNAポリメラーゼの結合サイトにはMg²⁺イオンがあります。さらにRNAポリメラーゼにはプラス電荷を持つアミノ酸であるリジン残基が結合サイトに向かって一列に並んでいます。リジン残基がレムデシビルのリン酸基を引きよせ、それを隣のリジン残基に受け渡すことを繰り返しながら、バケツリレーのように薬剤を結合サイトに運んでいることが明らかになりました。

S. Tanimoto, S. G. Itoh, and H. Okumura: Biophys. J. (2021), DOI: 10.1016/j.bpj.2021.07.026, “Bucket brigade” using lysine residues in RNA-dependent RNA polymerase of SARS-CoV-2

当センターを利用した研究成果の紹介

新着情報

2026-07-10	「第20回分子シミュレーションスクール」
9月8日(火) 〜 9月10日(木)の3日間の日程で、「第20回分子シミュレーションスクール－基礎から応用まで－」を開催いたします。「第20回分子シミュレーションスクール」の続きを見る

2026-08-04	AlphaFold 3.0.4 を導入しました
AlphaFold 3.0.4 を導入しました。CPU でも最後まで実行できるようになっています。ジョブサンプルは /apl/alphafold/samples/3.0.4 以下にあります。 AlphaFold 3.0.4 を導入しましたの続きを見る

2026-08-03	NOUS定期メンテナンス: 8/20(木) 9:00-19:00
メンテナンスのため、8/20(木) 9:00-19:00 は NOUS がご利用いただけません。メンテナンス中は新規の申請などができませんのでご注意ください。 NOUS定期メンテナンス: 8/20(木) 9:00-19:00 の続きを見る

2026-08-03	wxMacMolPlt 7.7.3 を導入しました
GAMESS 向けの GUI 環境である wxMacMolPlt のバージョン 7.7.3 を導入しました。/apl/wxmacmolplt/7.7.3/bin/wxmacmolplt でアクセスできます。wxmacmolplt/7.7.3 のモジュールを読み込めば PATH の設定も可能です。 wxMacMolPlt 7.7.3 を導入しましたの続きを見る

2026-07-31	PSI4 1.11 を導入しました
PSI4 1.11 を導入しました。ジョブサンプルは /apl/psi4/1.11/samples 以下にあります。 PSI4 1.11 を導入しましたの続きを見る

2026-07-28	NAMD 3.0.3 を導入しました
NAMD 3.0.3 を導入しました。実行サンプルは /apl/namd/3.0.3-mpi/samples, /apl/namd/3.0.3-smp/samples, /apl/namd/3.0.3-smp-cuda/samples 以下にあります。 NAMD 3.0.3 を導入しましたの続きを見る

2026-07-08	Foundry 0.2.0 を導入しました
Foundry 0.2.0 (RFdiffusion3, RFdiffusion3NA, RosettaFold3, ProteinMPNN) を導入しました。実行サンプルは /apl/foundry/0.2.0/samples 以下にあります。 Foundry 0.2.0 を導入しましたの続きを見る

2026-06-30	Amber26 (PMEMD26, AmberTools26)を導入しました
Amber26 (PMEMD26, AmberTools26)を導入しました。今回から PMEMD と AmberTools は別パッケージとして導入しています。 Amber26 (PMEMD26, AmberTools26)を導入しましたの続きを見る

2026-06-26	CENSO 3.0.8 を導入しました
CENSO 3.0.8 を導入しました。ジョブサンプルは /apl/censo/3.0.8/samples 以下にあります。導入手順については https://ccportal.ims.ac.jp/node/4006 に掲載しております。 CENSO 3.0.8 を導入しましたの続きを見る

2026-06-24	Molpro 2026.1.0 導入
Molpro 2026.1.0 を導入しました。実行サンプルは /apl/molpro/2026.1.0/samples 以下にあります。 Molpro 2026.1.0 導入の続きを見る