光生物学における分子理論の展開:励起状態理論の開発を基盤として

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光生物学の研究対象は、光合成や色覚などの基礎科学的解明から、分子イメージングなどの蛋白質工学に至る広い学問領域において重要になっている。光機能性蛋白質の励起状態の電子構造や色素-蛋白質相互作用は機能発現と密接に関わっており、理論・計算化学の手法を用いて研究することで、物理化学的メカニズムの詳細を明らかにすることができる。我々は高い精度で励起状態を計算できるSAC-CI法と蛋白質を計算できる実際的計算手法であるQM/MM法を結びつけることで、蛋白質中の機能性色素の励起状態について研究を行っている。当該年度に実施した研究の成果は以下の通りである。(1) ヒト色覚に関与する赤・緑・青色光受容体におけるカラー・チューニング機構について、これまでの研究成果を発展させ、カラー・チューニング機構の鍵となるアミノ酸にミューテーション計算を行った。その結果、既報の実験結果を再現することに成功し、提案したメカニズムを確認できた。(2) ホタル・ルシフェリンの発光色制御に関して、これまでの研究で明らかになった発光色の制御メカニズムを基に、赤色発光の可能性のあるミューテーションを提案した。(3) 擬縮退電子系を計算するための単参照理論の開発を行った。幾つかの小分子の結合解離についてのベンチマーク計算の結果、厳密解を良好に再現できた。また、複数のQM領域を用いることが可能なQM/MM法を提案した。