放射線DNA損傷を制御する酸素分圧機構の計算モデル構築

放射線によるDNA損傷では、高い酸素量の条件下で損傷が生じやすい酸素効果が知られている。本研究では、原子レベルのモンテカルロシミュレー ションを用いて、酸素がDNA損傷に与える機構とその影響を調べることを目的とする。昨年度までの成果を用いて令和４年度は、(1) 直接作用と間接作用の相互割合についての評価、(2)ハイドロキシルラジカルがDNA分子の水素引抜き反応を起こす活性化エネルギーを量子化学計算を用いて評価、そして(3)酸素分圧をシミュレーションに追加する機能開発と評価を実施した。下記にこれらの研究実績の概要を示す。(1)直接作用のエネルギー閾値に、水のイオン化ポテンシャル(10.79eV)を適用すると、間接作用の寄与は、全体の約３割であった。他研究の計算条件（KURBUC)を参考に、エネルギー閾値17.5eVを適用すると、全体の約９割が間接作用に起因する結果となった。閾値の厳密な絶対値は未だ確定しておらず、高い閾値が既存の測定結果を後押しすることを確認した。(2)量子力学計算を用いて、ヒドロキシルラジカルがヌクレオチドの水素引抜き反応を起こす際に必要な活性化エネルギーを1'から5''までの各水素で求めたところ、全て8kcal/mol以下であった。間接作用の損傷確率は、前年度成果で得られた水素へのラジカルのアクセス頻度と活性化エネルギーの大きさから考察できる。活性化エネルギーは充分に低く、アクセス頻度が損傷確率に大きな影響を与えることを示唆している。(3)シミュレーションへの酸素分圧を考慮する機能を組み込み、各酸素分圧におけるラジカル種の発生数を解析した。酸素分圧を変化させた場合でも、ヒドロキシルラジカルの濃度およびその時間変化に差異はないことが確認された。一方で、溶存酸素によってスーパーオキサイドアニオンが生成されることが分かった。次年度は、この点の詳細を研究する。

放射線によるDNA損傷では、高い酸素量の条件下で損傷が生じやすい酸素効果が知られている。本研究では、原子レベルのモンテカルロシミュレー ションを用いて、酸素がDNA損傷に与える機構とその影響を調べることを目的とする。昨年度までの成果を用いて令和４年度は、(1) 直接作用と間接作用の相互割合についての評価、(2)ハイドロキシルラジカルがDNA分子の水素引抜き反応を起こす活性化エネルギーを量子化学計算を用いて評価、そして(3)酸素分圧をシミュレーションに追加する機能開発と評価を実施した。下記にこれらの研究実績の概要を示す。(1)直接作用のエネルギー閾値に、水のイオン化ポテンシャル(10.79eV)を適用すると、間接作用の寄与は、全体の約３割であった。他研究の計算条件（KURBUC)を参考に、エネルギー閾値17.5eVを適用すると、全体の約９割が間接作用に起因する結果となった。閾値の厳密な絶対値は未だ確定しておらず、高い閾値が既存の測定結果を後押しすることを確認した。(2)量子力学計算を用いて、ヒドロキシルラジカルがヌクレオチドの水素引抜き反応を起こす際に必要な活性化エネルギーを1'から5''までの各水素で求めたところ、全て8kcal/mol以下であった。間接作用の損傷確率は、前年度成果で得られた水素へのラジカルのアクセス頻度と活性化エネルギーの大きさから考察できる。活性化エネルギーは充分に低く、アクセス頻度が損傷確率に大きな影響を与えることを示唆している。(3)シミュレーションへの酸素分圧を考慮する機能を組み込み、各酸素分圧におけるラジカル種の発生数を解析した。酸素分圧を変化させた場合でも、ヒドロキシルラジカルの濃度およびその時間変化に差異はないことが確認された。一方で、溶存酸素によってスーパーオキサイドアニオンが生成されることが分かった。次年度は、この点の詳細を研究する。