Changes in molecular conformation and electronic structure of DNA under C ions based on first-principles calculations

第一原理計算に基づいたCイオン下でのDNAの分子構造と電子構造の変化

関川 卓也; 松谷 悠佑  ; Hwang, B.*; 石坂 優人*; 川井 弘之*; 大野 義章*; 佐藤 達彦   ; 甲斐 健師   

Sekikawa, Takuya; Matsuya, Yusuke; Hwang, B.*; Ishizaka, Masato*; Kawai, Hiroyuki*; Ono, Yoshiaki*; Sato, Tatsuhiko; Kai, Takeshi

放射線の人体に与える影響の主な原因として、遺伝情報を担うDNAの損傷が考えられている。しかし、DNAが放射線損傷によりどのような分子構造変化を示すかは十分理解されていない。DNAに放射線を照射すると様々な種類のDNA損傷が形成されることが報告されていることから、我々のグループではDNAが受ける損傷と放射線によって引き起こされる様々なパターンのイオン化の関係を調べてきた。これまでDNAを模した剛体モデルを用いた簡易な体系における解析を行っていたが、人体への影響を考える上で重要と考えられるDNAの分子構造変化を解析するためにはより詳細な計算を必要とする。そこで、本研究では分子構造に基づいて電子状態を議論できる第一原理計算ソフトウェアOpenMXを用いてDNAの分子構造変化を明らかにすることを試みた。具体的には、放射線により1電子及び2電子が電離した状況のDNAを仮定し、最安定構造、バンド分散、及び波動関数を計算した。発表では、粒子・重イオン輸送計算コードPHITSを用いて計算した放射線の線種及びエネルギーとDNAの分子構造変化の関係とともに議論する。また、放射線物理・固体物理の双方の観点から、放射線がもたらすDNAの基礎物性変化(DNA損傷の最初期過程に相当)について議論する。

One of the main causes of radiation effects on the human body is thought to be damage to DNA, which carries genetic information. However, it is not fully understood what kind of molecular structural changes DNA undergoes upon radiation damage. Since it has been reported that various types of DNA damage are formed when DNA is irradiated, our group has investigated the relationship between DNA damage and various patterns of radiation-induced ionization induced by radiation. Although we have so far analyzed DNA damage in a simple system using a rigid body model of DNA, more detailed calculations are required to analyze the molecular structural changes in DNA, which are considered to be important in considering the effects on the human body. In this study, we attempted to clarify the molecular conformational changes of DNA using OpenMX, a first-principles calculation software that can discuss electronic states based on molecular structures. Specifically, we calculated the most stable structure, band dispersion, and wave function of DNA under the assumption that one and two electrons are ionized by various radiation. In the presentation, we will discuss the relationship between the energy dependence of each incident radiation type and the molecular conformational change of DNA. In addition, the radiation-induced changes in the basic physical properties of DNA (corresponding to the initial stage of DNA damage) will be discussed from the viewpoints of both radiation physics and solid state physics.