大きな揺らぎの存在する媒体中での高分子挙動に関する理論的解析手法の開発とその応用

大波动介质中聚合物行为理论分析方法的发展及其应用

基本信息

批准号：
19031013
负责人：
墨智成
金额：
$ 3.01万
依托单位：
Toyohashi University of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
2007
资助国家：
日本
起止时间：
2007 至 2008
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の目的は大きな揺らぎが存在する媒体中での高分子挙動を理論的に調べる事であるが, 昨年度に行った, 一成分溶媒の気-液臨界点近傍および二成分混合溶媒の液-液相分離臨界点近傍での高分子鎖の解析に引き続き, 今年度は, 電解質水溶液中でのDNA鎖の自己凝縮転移に関する研究を行った.DNA鎖は電解質水溶液中において, 負に帯電した荷電高分子鎖となり, 鎖内のクーロン反発によって, ランダムコイルを形状する. この状態に, 三価ポリアミンであるスペルミジン(SPD^<3+>)を数から数十mM程度添加すると, 環状コイル形状へ自己凝縮転移する現象が観測されている.また, 温度変化に関しては, 低温でランダムコイル形成をとるDNA鎖は, 温度上昇に伴い環状コイルへ自己凝縮転移する観測結果が報告されている.一般に電解質水溶液中での荷電高分子鎖(DNAの粗視化モデル)のブラウニアン動力学法では, 水は連続誘電体とし, イオンは荷電粒子としてモデル化する.このモデルにおける自己凝縮転移のメカニズムとしては, 多価イオンのイオン強結合による電荷秩序状態の形成が考えられるが, 水を露に考慮しないこのモデル化では, 自己凝縮転移を再現する事は出来なかった. また, 温度変化に関しては, 温度の上昇により慣性半径が増加する(実験とは逆の)結果が得られた. そこで我々は, タンパク質の天然構造の安定性において重要となる疎水性相互作用に着目し, 水の凝集性液体としての性質(強い界面張力)を考慮した電解質水溶液モデルを構築した. この粗視化モデルに対して, 密度汎関数理論(DFT)に基づく液体論的手法を用いたマルチスケールシミュレーション法を適用し, 荷電高分子鎖(DNA鎖)の自己凝縮現象について解析を行った.その結果, SPD^<3+>の添加および温度上昇に伴う自己凝縮転移を定性的に再現出来る事が示された.また, 溶媒和自由エネルギーの解析から, SPD^<3+>の添加および温度上昇により, 溶媒和自由エネルギーが大きく上昇する事が分かった.これらの結果から, (a)SPD^<3+>の添加に伴う疎水性相互作用の強化, (b)温度上昇に伴う水和エントロピーの増加に起因した疎水性相互作用の強化, が電解質水溶液の貧溶媒化を導き, これが自己凝縮転移の駆動力となる事が示された.本研究で考慮した電解質水溶液における水の寄与は, タンパク質やコロイドの塩析に関する現象を記述するのに必要不可欠であり, ソフトマター物理においても重要な要素の一つであると考えられる.

这项研究的目的是从理论上研究聚合物在发生较大波动的介质中的行为。在分析了一组分溶剂的气液临界点附近的聚合物链和两组分溶剂的液态液相分离附近，今年，我们对水解溶液中DNA链的自调敏过渡进行了研究。 DNA链在水溶液溶液中变成带负电荷的聚合物链，并通过链中的库仑排斥而形成随机线圈。在这种状态下，已经观察到一种现象，其中三价多胺，精子（SPD^<3+>）被添加到几至几十毫米的几个mm中，并且已经观察到自调和到圆形线圈形状。此外，关于温度变化，已经观察到，在低温下形成随机线圈的DNA链已经报道了自键敏过渡到温度升高的环形线圈。通常，在电解质溶液中带电的聚合物链的布朗动力学方法中，水是连续的介电，而离子被建模为带电的颗粒。在该模型中，自键合化的机理是由于多电荷离子的强离子键的形成了电荷有序状态的形成，但是这种未考虑水暴露的建模无法复制自demensation跃迁。此外，在温度变化方面，获得了惯性增加的半径（与实验相反）。因此，我们专注于疏水相互作用，这些相互作用在蛋白质的自然结构的稳定性中很重要，并构建了电解质水溶液模型，该模型考虑了水的特性，作为一种粗糙的液体（强界面张力）。对于这种粗粒化的模型，我们使用基于密度功能理论（DFT）的液体感知方法应用了多尺度模拟方法，以分析带电聚合物链（DNA链）的自构敏现象。结果表明，与SPD^<3+>添加和温度升高相关的自调整过渡可以定性再现。此外，溶剂化自由能的分析表明，SPD^<3+>和温度升高的添加会显着增加溶剂化自由能。这些结果表明，（a）加强与SPD^<3+>相关的疏水相互作用，（b）加强由于水合熵的增加而随着温度升高而引起的疏水相互作用，导致水溶液溶液的溶剂化较差，这是自键合化过渡的驱动力。在这项研究中考虑的水溶液溶液中水的贡献是描述与蛋白质和胶体腌制有关的现象至关重要，并且被认为是软物质物理学中的重要元素之一。

项目成果

期刊论文数量（23）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Metal-nonmetal transition in dense fluid hydrogen

稠密液态氢中的金属-非金属转变

DOI：
发表时间：
2008
期刊：
Journal of Chemical Physics 128
影响因子：
0
作者：
Takaku;T.;Ohyashiki;JH.;Zhang;Y.;Ohyashiki;K;Tomonari Sumi and Hideo Sekino;Takaku T. et al.;Tomonari Sumi and Hideo Sekino
通讯作者：
Tomonari Sumi and Hideo Sekino

超臨界溶媒の気-液臨界点近傍での高分子鎖の普遍的および特異的挙動

超临界溶剂气液临界点附近聚合物链的普遍和特定行为