電離したDNA分子の電子状態計算シミュレーション

Electronic state simulation of ionized DNA molecules

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

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

デオキシリボ核酸(DNA)はグアニン、シトシン、アデニン、チミンの多様な組み合わせによって生物の遺伝情報を担い、放射線生物影響は主にこのDNAの損傷に起因する。本研究ではDNA損傷が定着するまでの過渡的な分子構造変化を理論的に調べるため、炭素線照射によって生成されるホールの数を放射線輸送計算コードParticle and Heavy Ion Transport code System (PHITS)を用いて計算したのち、第一原理計算ソフトウェアOpenMXを用いて、ホールを生成した様々な配列のDNAを標的として構造変化、化学反応を担う部位を計算した。その結果、少ないホール生成ではDNAの中でも遺伝情報を担う基質分子にホールが広がる実験結果を再現すること、さらに大量のホール生成ではDNAの全体の構造を支える糖鎖分子と基質分子の混成軌道にトラップされることを明らかにした。本研究成果は、電離したDNA分子の更なる理解に繋がることが期待できる。

Deoxyribonucleic acid (DNA) carries the genetic information of living organisms through various combinations of guanine, cytosine, adenine, and thymine, and radiation biological effects are mainly caused by damage to DNA. In this study, we simulated ionization distributions induced within a DNA by carbon ion beam, and evaluated the molecular conformational changes in the DNA. We first calculated the numbers of ionizations in the DNA induced by carbon ion using Particle and Heavy-Ion Transport code System (PHITS). Second, the stable structure and wave function of the DNA under the condition that one and two electrons are ionized by radiation were calculated using a first-principles calculation software OpenMX. As a result, we found that a small number of holes can reproduce the experimental results in which the holes spread to the base molecules (that carry genetic information in DNA), while a large number of holes can be trapped in the hybrid orbit of the sugar chain molecules (that support the overall structure of DNA) and base molecules. Our results are expected to contribute to the deeper understanding of the ionized DNA molecules.