第一原理分子動力学計算に基づくホール生成されたヌクレオチド分子の電子状態計算

Electronic state calculations of nucleotide molecule based on first-principles molecular dynamics

Wang, Y.*; 関川 卓也; 大野 義章*; 甲斐 健師   

Wang, Y.*; Sekikawa, Takuya; Ono, Yoshiaki*; Kai, Takeshi

DNA(デオキシリボ核酸)は、遺伝情報の保存および伝達に不可欠な役割を果たす分子であり、その構造と電子状態は、生物学的機能に深く関与している。DNAはヌクレオチドという基本単位から構成され、放射線によるDNA損傷やホール生成が、ヌクレオチド分子の電子状態にどのような影響を与えるかが近年注目されている。そこで本研究では、水中および真空環境下におけるヌクレオチド分子の電子状態を、第一原理計算ソフトウェアOpenMXを用いて詳細に解析した。特に、分子が中性状態、1つの電子を失った状態、および2つの電子を失った状態における電子状態の変化を計算した結果、水溶液環境で、かつ分子がホールを持つ状態では、ヌクレオチド分子の化学反応領域の形状が変化し、分子の物理的性質に大きな変化が生じることが示された。本研究成果は、放射線生物影響の最初期過程の解明に貢献する。

DNA (deoxyribonucleic acid) is a molecule that plays an essential role in the storage and transmission of genetic information, and its structure and electronic state are deeply involved in its biological functions. The effects of radiation-induced DNA damage and hole generation on the electronic structure of nucleotide molecules have been the focus of much attention in recent years. In this study, the electronic states of nucleotide molecules in water and in the vacuum environment were analyzed in detail using the first-principles calculation software OpenMX. In particular, the electronic state changes in the neutral, one-electron-lost, and two-electron-lost states of the molecule were calculated, indicating that the shape of the chemical reaction region of the nucleotide molecule changes in the aqueous solution environment and when the molecule includes hole, resulting in a significant change in the physical properties of the molecule. The results of this study will contribute to the elucidation of the initial process of radiation biological effects.