HOME arrow 研究 arrow 研究グループ一覧 arrow 斉藤グループ

理論・計算分子科学研究領域斉藤グループ

場所:明大寺キャンパス 南実験棟4F
Annual Review : こちら
研究室ホームページ : こちら

揺らぎ・緩和、不均一性、階層的動力学、多次元解析

凝縮系における反応、機能、物性を生み出すダイナミクスの理論研究

水の特異的な熱力学的性質やタンパク質の機能などはどのように生まれるのでしょうか?溶液や生体分子などの系は凝縮系と呼ばれます。このような凝縮系には、フェムト秒(10-15秒)という非常に速い時間スケールの分子振動から、マイクロ秒(10-6秒)からミリ秒(10-3秒)そしてさらに遅い時間スケールの分子の集団的な運動やタンパク質の構造変化が存在します。これらの運動は広い時間スケールにわたっているだけでなく、運動の空間スケールもそれぞれ異なっており、しかも非常に複雑に絡み合っています。さらに、温度や圧力により運動の様相も大きく変化します。このような複雑な運動により、分子集合体としての構造は絶えず変化しています。また、そのような揺らぎの中で、様々な化学反応も進行し、それらの結果として、物質の様々な物性やタンパク質の機能につながります。また、これまでは、非常に多くの分子数の集団的な平均としての物性や反応が調べられていたにすぎませんでした。しかし、実験の進展により、一つの分子の構造変化や反応を追跡することも可能になってきました。その結果、集団平均された振る舞いや反応には見られない複雑な様相も明らかになってきました。私達は統計力学や量子力学に基づく独自の理論計算・解析手法を開発するとともに、シミュレーションを駆使し分子の運動を解析することにより、物質の性質やタンパク質の機能がどのように生み出されるのか、また、化学反応がどのように進行するのかなどを理論・計算科学的に研究しています。


2019__s1.png

Scheme of enzymatic reaction. Reactions rapidly take place through ‘conformational excited states’ on a two-dimensional surface expressed by fast and slow variables.

2019__s2.png

Schematic figure of water in terms of  low- (blue) and high- (red) density local structures. Thermodynamic and dynamic anomalies of water arise from the fluctuation between the local structures.

参考文献

  1. T. L. C. Jansen, S. Saito, J. Jeon, and M. Cho, "Theory of coherent two-dimensional vibrational spectroscopy," J. Chem. Phys. (Perspective) 150, 100901 (17 pages) (2019) (invited).
  2. K. Kim and S. Saito, “Multiple Length and Time Scales of Dynamic Heterogeneities in Model Glass-Forming Liquids: A Systematic Analysis of Multi-Point and Multi-Time Correlations,” J. Chem. Phys. (Special Topic: Glass Transition) 138, 12A506 (13 pages) (2013) (Invited).
  3. J. Ono, S. Takada, and S. Saito, “Couplings between Hierarchical Conformational Dynamics from Multi-Time Correlation Functions and Two-Dimensional Lifetime Spectra: Application to Adenylate Kinase,” J. Chem. Phys. (Special Topic: Multidimensional Spectroscopy) 142, 212404 (13 pages) (2015)(Invited).
  4. T. Mori and S. Saito, "Conformational excitation and non-equilibrium transition facilitate enzymatic reactions: Application to Pin1 peptidyl-prolyl isomerase," J. Phys. Chem. Lett. 10, 474-480 (2019).
  5. S. Saito and B. Bagchi, "Thermodynamic picture of vitrification of water through complex specific heat and entropy: A journey through "No Man's Land"," J. Chem. Phys. 150, 054502 (14 pages) (2019).