FMOスキームに基づいた励起状態計算手法の構築とプログラム実装

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本研究では、新規光応答タンパク質や蛍ルシフェラーゼなどの合成研究に対して貢献可能な理論構築、及びプログラム開発をしてきた。これらの大規模分子の励起状態解析は実験的研究に大きく寄与するものであるが、それは理論的アプローチでしか知り得ない情報が得られる点に起因している。この様な点を踏まえ、計算対象の解析に必要な第一原理に基づいた方法論のプログラム実装を、FMO (Fragment Molecular Orbital)の文脈で行った。これまでFMOの文脈で励起状態の解析をする際は「多層FMO」のスキームを採用してきたが、結果の定量性を保持しつつ、より計算時間の短縮を可能にすることが望ましい。そこで、2005年に平田らによって発表された「励起エネルギー値の対補正」に関する論文(S.Hirata et al., Mole.Phys., 103 (2005) 2255.)に着眼した。この際、当該論文に対して更に励起エネルギーに関する多体効果を導入した形に拡張し精度検証を試みた(電子遷移エネルギーに対する2・3体補正)。第一原理分子動力学計算(FMO-MD ; ab initio FMO-Molecular Dynamics)に基づいた「シトシン水和凝集系」の構造や、PDB (Protein Data Bank)で公開されている構造をベースとした「光応答タンパク質(Blue Fluorescent Protein ; BFP, Yellow Fluorescent Protein ; YFPなど)」、そして「レチナールタンパク質」や「蛍ルシフェラーゼ」といった系に対して応用計算を行った結果、励起状態の情報を保ったまま演算時間の短縮に成功し、また、多体効果を更に導入したことで一定の結果が得られた。一方、光応答を担う部分に対する周辺構造の寄与の度合いを解析できるツールとしても有効であることが分かった。