2024/03/24 更新

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オノ ジュンイチ
小野 純一
所属
理工学術院 理工学術院総合研究所
職名
次席研究員(研究院講師)
学位
博士(理学) ( 京都大学 )
メールアドレス
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研究分野

  • 生物物理学   理論生物物理学 / 基礎物理化学   理論・計算分子科学
 

論文

  • Conformational Dynamics in Proteins: Entangled Slow Fluctuations and Nonequilibrium Reaction Events

    Junichi Ono, Yoshihiro Matsumura, Toshifumi Mori, Shinji Saito

    The Journal of Physical Chemistry B    2023年12月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者

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  • Updating view of membrane transport proteins by simulation studies

    Takashi Sumikama, Ben Corry, Junichi Ono, Chigusa Kobayashi, Kei-ichi Okazaki

    Biophysics and Physicobiology   20 ( 4 ) e200041_1 - e200041_4  2023年11月  [査読有り]

    DOI

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  • Born–Oppenheimer molecular dynamics study on collective protein dynamics invoked by ultrafast photoisomerization of retinal chromophore in bacteriorhodopsin

    Hiromi Nakai, Hiroki Uratani, Toshiki Morioka, Junichi Ono

    Chemical Physics Letters     140818 - 140818  2023年09月

    DOI

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  • Hybrid in Silico Drug Discovery Study toward the Development of Oral Antivirals for COVID-19

    Uika KOSHIMIZU, Junichi ONO, Yoshifum FUKUNISHI, Hiromi NAKAI

    Journal of Computer Chemistry, Japan   21 ( 2 ) 48 - 51  2022年11月  [査読有り]

    DOI

  • Hydroxide Ion Mechanism for Long‐Range Proton Pumping in the Third Proton Transfer of Bacteriorhodopsin

    Junichi Ono, Chika Okada, Hiromi Nakai

    ChemPhysChem   23   e202200109  2022年07月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者

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    4
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    (Scopus)
  • Multiple protonation states in ligand-free SARS-CoV-2 main protease revealed by large-scale quantum molecular dynamics simulations

    Junichi Ono, Uika Koshimizu, Yoshifumi Fukunishi, Hiromi Nakai

    Chemical Physics Letters   794   139489 - 139489  2022年05月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者

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    4
    被引用数
    (Scopus)
  • Quantum-Mechanical Molecular Dynamics Simulations on Secondary Proton Transfer in Bacteriorhodopsin Using Realistic Models

    Hiromi Nakai, Toshiaki Takemura, Junichi Ono, Yoshifumi Nishimura

    The Journal of Physical Chemistry B   125 ( 39 ) 10947 - 10963  2021年10月  [査読有り]

    DOI

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    10
    被引用数
    (Scopus)
  • Hydroxide Ion Carrier for Proton Pumps in Bacteriorhodopsin: Primary Proton Transfer

    Junichi Ono, Minori Imai, Yoshifumi Nishimura, Hiromi Nakai

    The Journal of Physical Chemistry B   124 ( 39 ) 8524 - 8539  2020年10月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者

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    15
    被引用数
    (Scopus)
  • Weighted histogram analysis method for multiple short-time metadynamics simulations

    Junichi Ono, Hiromi Nakai

    Chemical Physics Letters   751   137384 - 137384  2020年07月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者

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    7
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    (Scopus)
  • Reversible Sodium Metal Electrodes: Is Fluorine an Essential Interphasial Component?

    Kyosuke Doi, Yuki Yamada, Masaki Okoshi, Junichi Ono, Chien‐Pin Chou, Hiromi Nakai, Atsuo Yamada

    Angewandte Chemie   131 ( 24 ) 8108 - 8112  2019年06月

    DOI

  • Reversible Sodium Metal Electrodes: Is Fluorine an Essential Interphasial Component?

    Kyosuke Doi, Yuki Yamada, Masaki Okoshi, Junichi Ono, Chien-Pin Chou, Hiromi Nakai, Atsuo Yamada

    ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION   58 ( 24 ) 8024 - 8028  2019年06月

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    Alkaline metals are an ideal negative electrode for rechargeable batteries. Forming a fluorine-rich interphase by a fluorinated electrolyte is recognized as key to utilizing lithium metal electrodes, and the same strategy is being applied to sodium metal electrodes. However, their reversible plating/stripping reactions have yet to be achieved. Herein, we report a contrary concept of fluorine-free electrolytes for sodium metal batteries. A sodium tetraphenylborate/monoglyme electrolyte enables reversible sodium plating/stripping at an average Coulombic efficiency of 99.85 % over 300 cycles. Importantly, the interphase is composed mainly of carbon, oxygen, and sodium elements with a negligible presence of fluorine, but it has both high stability and extremely low resistance. This work suggests a new direction for stabilizing sodium metal electrodes via fluorine-free interphases.

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    72
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    (Scopus)
  • Development of Large-Scale Excited-State Calculations Based on the Divide-and-Conquer Time-Dependent Density Functional Tight-Binding Method

    Nana Komoto, Takeshi Yoshikawa, Junichi Ono, Yoshifumi Nishimura, Hiromi Nakai

    JOURNAL OF CHEMICAL THEORY AND COMPUTATION   15 ( 3 ) 1719 - 1727  2019年03月

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    In this study, the divide-and-conquer (DC) method was extended to time-dependent density functional tight-binding (TDDFTB) theory to enable excited-state calculations of large systems and is denoted by DC-TDDFTB. The efficient diagonalization algorithms of TDDFTB and DC-TDDFTB methods were implemented into our in-house program. Test calculations of polyethylene aldehyde and p-coumaric acid, a pigment in photoactive yellow protein, in water demonstrate the high accuracy and efficiency of the developed DC-TDDFTB method. Furthermore, the (TD)-DFTB metadynamics simulations of acridinium in the ground and excited states give reasonable pK(a) values compared with the corresponding experimental values.

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    15
    被引用数
    (Scopus)
  • Development of the Divide-and-Conquer Time-Dependent Density Functional Tight-Binding Method for Photoreceptor Protein

    Nana Komoto, Takeshi Yoshikawa, Junichi Ono, Hiromi Nakai

    JOURNAL OF COMPUTER CHEMISTRY-JAPAN   17 ( 3 ) 127 - 129  2018年

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    The divide-and-conquer (DC) method was extended to time-dependent density functional tight-binding (TDDFTB) theory to enable excited-state calculations of large systems, as denoted by DC-TDDFTB. In this article, the implementation of TDDFTB and DC-TDDFTB methods into our in-house program, DC-DFTB-K, is explained. Dependence of CPU time on system-size for the DC-TDDFTB calculations indicates significant reduction of computational cost by adopting the DC method. Owing to the feature, excited-state calculations for whole photoactive yellow protein (PYP) surrounded by 4684 water molecules could be carried out in order to examine the hydrogen bond between p-coumaric acid and Glu46 in PYP.

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  • Couplings between hierarchical conformational dynamics from multi-time correlation functions and two-dimensional lifetime spectra: Application to adenylate kinase

    Junichi Ono, Shoji Takada, Shinji Saito

    JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS   142 ( 21 )  2015年06月

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    An analytical method based on a three-time correlation function and the corresponding two-dimensional (2D) lifetime spectrum is developed to elucidate the time-dependent couplings between the multi-timescale (i.e., hierarchical) conformational dynamics in heterogeneous systems such as proteins. In analogy with 2D NMR, IR, electronic, and fluorescence spectroscopies, the waiting-time dependence of the off-diagonal peaks in the 2D lifetime spectra can provide a quantitative description of the dynamical correlations between the conformational motions with different lifetimes. The present method is applied to intrinsic conformational changes of substrate-free adenylate kinase (AKE) using long-time coarse-grained molecular dynamics simulations. It is found that the hierarchical conformational dynamics arise from the intra-domain structural transitions among conformational substates of AKE by analyzing the one-time correlation functions and one-dimensional lifetime spectra for the donor-acceptor distances corresponding to single-molecule Forster resonance energy transfer experiments with the use of the principal component analysis. In addition, the complicated waiting-time dependence of the off-diagonal peaks in the 2D lifetime spectra for the donor-acceptor distances is attributed to the fact that the time evolution of the couplings between the conformational dynamics depends upon both the spatial and temporal characters of the system. The present method is expected to shed light on the biological relationship among the structure, dynamics, and function. (C) 2015 AIP Publishing LLC.

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    17
    被引用数
    (Scopus)
  • Semiquantal molecular dynamics simulations of hydrogen-bond dynamics in liquid water using spherical gaussian wave packets

    Junichi Ono, Kim Hyeon-Deuk, Koji Ando

    INTERNATIONAL JOURNAL OF QUANTUM CHEMISTRY   113 ( 3 ) 356 - 365  2013年02月

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    A semiquantal (SQ) molecular dynamics (MD) simulation method using spherical Gaussian wave packets (WPs) is applied to a microscopic analysis of hydrogen-bond (H-bond) exchange dynamics in liquid water. We focus on the molecular jump mechanism of H-bond reorientation dynamics proposed from a classical MD simulation by Laage and Hynes (Science 2006, 311, 832). As a notable quantum effect, broadenings of both the oxygen and hydrogen WPs of jumping water are observed associated with the H-bond switching events. Nonetheless, quantum effects on averaged trajectories of structural parameters measured with respect to the WP centers are rather minor. A 1/f fluctuation of local H-bond number is observed in both SQ and classical simulations. This is obtained straightforwardly from the real-time trajectories, in contrast with the originally found 1/f fluctuation (Sasai et al., J. Chem. Phys. 1992, 96, 3045) of the total potential energies collected at quenched inherent structures. The quantum effects are found to accelerate the relaxation of H-bond number fluctuation, which is reflected in the region near the lower bound of the 1/f behavior in the power spectra. New developments in the implementation of SQMD simulations including all atoms are also described. (c) 2012 Wiley Periodicals, Inc.

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    7
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    (Scopus)
  • Semiquantal molecular dynamics simulations of hydrogen-bond dynamics in liquid water using multi-dimensional Gaussian wave packets

    Junichi Ono, Koji Ando

    JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS   137 ( 17 )  2012年11月

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    A semiquantal (SQ) molecular dynamics (MD) simulation method based on an extended Hamiltonian formulation has been developed using multi-dimensional thawed Gaussian wave packets (WPs), and applied to an analysis of hydrogen-bond (H-bond) dynamics in liquid water. A set of Hamilton's equations of motion in an extended phase space, which includes variance-covariance matrix elements as auxiliary coordinates representing anisotropic delocalization of the WPs, is derived from the time-dependent variational principle. The present theory allows us to perform real-time and real-space SQMD simulations and analyze nuclear quantum effects on dynamics in large molecular systems in terms of anisotropic fluctuations of the WPs. Introducing the Liouville operator formalism in the extended phase space, we have also developed an explicit symplectic algorithm for the numerical integration, which can provide greater stability in the long-time SQMD simulations. The application of the present theory to H-bond dynamics in liquid water is carried out under a single-particle approximation in which the variance-covariance matrix and the corresponding canonically conjugate matrix are reduced to block-diagonal structures by neglecting the interparticle correlations. As a result, it is found that the anisotropy of the WPs is indispensable for reproducing the disordered H-bond network compared to the classical counterpart with the use of the potential model providing competing quantum effects between intra- and intermolecular zero-point fluctuations. In addition, the significant WP delocalization along the out-of-plane direction of the jumping hydrogen atom associated with the concerted breaking and forming of H-bonds has been detected in the H-bond exchange mechanism. The relevance of the dynamical WP broadening to the relaxation of H-bond number fluctuations has also been discussed. The present SQ method provides the novel framework for investigating nuclear quantum dynamics in the many-body molecular systems in which the local anisotropic fluctuations of nuclear WPs play an essential role. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4762840]

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    11
    被引用数
    (Scopus)
  • Note: Inverted time-ordering in two-dimensional-Raman-terahertz spectroscopy of water

    Peter Hamm, Janne Savolainen, Junichi Ono, Yoshitaka Tanimura

    JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS   136 ( 23 )  2012年06月

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    25
    被引用数
    (Scopus)
  • Ultrafast energy relaxation and anisotropy decay of the librational motion in liquid water: A molecular dynamics study

    Takuma Yagasaki, Junichi Ono, Shinji Saito

    JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS   131 ( 16 )  2009年10月

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    We theoretically investigate intermolecular motions in liquid water in terms of third-order infrared (IR) spectroscopy. We calculate two-dimensional (2D) IR spectra, pump-probe signals, and three-pulse stimulated photon echo signals from the combination of equilibrium and nonequilibrium molecular dynamics simulations. The 2D IR spectra and the three-pulse photon echo peak shift exhibit that the frequency correlation of the librational motion decays with a time scale of 100 fs. The two-color 2D IR spectra and the pump-probe signals reveal that the energy transfer from the librational motion at 700 cm(-1) to the low frequency motion below 300 cm(-1) occurs with a time scale of 60 fs and the subsequent relaxation to the hot ground state takes place on a 500 fs time scale. The time scale of the anisotropy decay of the librational motion is found to be similar to 115 fs. The energy dissipation processes are investigated in detail by using the nonequilibrium molecular dynamics simulation, in which an electric field pulse is applied. We show that the fast energy transfer from the librational motion to the low frequency motion is mainly due to the librational-librational energy transfer. We also show that the fast anisotropy decay mainly arises from the rapid intermolecular energy transfer. (C) 2009 American Institute of Physics. [doi:10.1063/1.3254518]

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    37
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共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 高速分子動画と大規模励起状態分子動力学の共創が拓く光生命化学現象の解明

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型)

    研究期間:

    2022年04月
    -
    2024年03月
     

    小野 純一

  • 新型コロナ標的タンパク質の共有結合阻害に向けた酵素反応分子動力学シミュレーション

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(C)

    研究期間:

    2021年04月
    -
    2024年03月
     

    小野 純一

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    本研究課題では,新型コロナウイルス感染症(COVID-19)の原因ウイルスであるSARS-CoV-2のメインプロテアーゼ(Mpro)を対象とし,ウイルス増殖に関わるポリタンパク質切断反応に対する触媒活性を共有結合形成により阻害する共有結合阻害剤の開発に向け,理論解析によって微視的知見を獲得することを目的としている.令和3年度には,(1)Mproと天然基質モデルに対する大規模量子分子動力学(MD)シミュレーションによる触媒反応機構の解明,(2)Mproと既知共有結合阻害剤に対する大規模量子MDシミュレーションによる阻害反応機構の解明ならびに(3)Mproと薬剤候補分子に対するバーチャルスクリーニングおよびドッキングによる結合親和性の評価を実施した.
    (1)基質存在下での触媒反応過程を対象とし,Mpro二量体,天然基質モデルおよび水溶媒全系(76770原子)を量子的に取り扱う大規模量子MDシミュレーションを実行した.計算にはスーパーコンピュータ「富岳」を用いた.その結果,アシル化過程において,自由エネルギー障壁がほぼ同等の2つの異なる反応経路が存在し,両者は反応中間体の有無の点で異なることが明らかになった.
    (2)ファイザーにより開発された共有結合阻害剤(PF-07321332)との阻害反応過程を対象とし,Mpro単量体,阻害剤および水溶媒全系(34297原子)を量子的に取り扱う大規模量子MDシミュレーションを実行した.計算にはスーパーコンピュータ「富岳」を用いた.その結果,活性部位においてMproと阻害剤の中間に位置する水分子を介したプロトンリレーによって阻害反応が進行することが明らかになった.
    (3)複数の結晶構造に対してバーチャルスクリーニングを実施し,薬剤候補分子Xを選定した.天然基質モデル,既知阻害剤およびXに対してアンサンブルドッキングを行い,結合親和性を評価した.

  • 光受容タンパク質の量子的分子動力学シミュレーションによる遍在プロトンの機能解明

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(S)

    研究期間:

    2018年06月
    -
    2023年03月
     

    中井 浩巳, 高野 光則, 吉川 武司, 小野 純一

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    本研究課題では、理論およびプログラム開発に関する基礎テーマ(T1), (T2)、基底状態が関与する応用テーマ(G1), (G2), (G3)ならびに励起状態が関与する応用テーマ(E1), (E2)を計画した。このうち、当初計画において2019年度には、(T1) GPUアクセラレータによる長時間シミュレーション手法の開発、(T2) 大規模励起状態シミュレーション手法の開発、(G1) バクテリオロドプシン(BR)のプロトン移動ダイナミクス、(G2) イオン輸送機能を持つ微生物型ロドプシンにおけるプロトン移動ダイナミクス、(G3) FoF1-ATP合成酵素における機能発現ダイナミクス、(E1) 光活性イエロータンパク質(PYP)における光異性化ダイナミクスに着手する予定であった。
    (T1)では、単精度・倍精度ハイブリッド型の実装により、GPUアクセラレータを用いた密度汎関数強束縛分子動力学(DC-DFTB-MD)法の更なる高速化を実現した。また、自由エネルギー曲面を効率的に求める拡張サンプリング法とDC-DFTB法を組み合わせた階層的並列計算アルゴリズムの開発を行った。(T2)では、GPUアクセラレータを用いて、DC-TDDFTB法の更なる高速化を図った。その結果、マルチGPUアクセラレータにより大幅な高速化に成功した。(G1)では、BRの5段階のプロトン移動のうち、2段階目の結晶構造を対象としたQMD計算を実行した。その結果、放出基近傍の空隙に出現した水分子が形成する水素結合ネットワーク上のプロトンリレーにより反応が進むことを明らかにした。

  • 分子動画に基づく大規模量子分子動力学法による生体内プロトン輸送機構の解明

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型)

    研究期間:

    2020年04月
    -
    2022年03月
     

    小野 純一

     概要を見る

    本研究課題では,代表的な光受容膜タンパク質である微生物型ロドプシンを主対象とし,その機能発現機構を大規模量子分子動力学(MD)計算によって解明することを目指した.令和3年度には,(1)バクテリオロドプシン(BR)の2段階目のプロトン移動反応および(2)新型コロナウイルス感染症(COVID-19)の原因ウイルスSARS-CoV-2のメインプロテアーゼ(Mpro)における(基質非存在下での)プロトン化状態を対象とした理論解析を実施した.
    (1)BRのM型中間体で起きる2段階目のプロトン移動は,プロトン放出基(PRG)から細胞外側水溶媒への放出過程である.M型中間体5種類の分子動画を対象とした大規模量子MD計算を実行したところ,後半3種類において,放出基出口近傍の空隙に水溶媒側から水1分子(Wat1)が進入した.その結果,PRGのGlu204からSer193とWat1を介して細胞外側水溶媒へと至る水素結合ネットワークが形成され,その経路上をリレー形式でプロトンが移動することにより2段階目のプロトン移動が進行することを明らかにした.
    (2)当初の計画にはなかったが,COVID-19の感染拡大を受け,Mproを対象とした大規模量子MD計算に着手した.Mproはウイルス増殖に関わるポリタンパク質の切断反応を触媒する酵素であり,治療薬の主要な標的の一つである.活性部位において,Cys145からHis41へのプロトン移動,すなわち中性状態から双性イオン状態への遷移を起点とした触媒サイクル上で切断反応が実現する.Mproの基質フリーの結晶構造を採用し,Mpro二量体および水溶媒からなる生体分子系全体を量子的に取り扱う大規模量子MD計算を実行した.その結果,基質フリーの活性部位では双性イオン状態が最も安定であることを明らかにした.本結果は,2020年に報告された中性子結晶構造解析の結果と整合する.

Misc

  • バクテリオロドプシンの分子動画に基づく大規模量子分子動力学法によるプロトン移動反応の解析

    小野 純一, 今井 みの莉, 西村 好史, 中井 浩巳

    分子シミュレーション研究会会誌アンサンブル   23 ( 3 ) 171 - 175  2021年07月

    記事・総説・解説・論説等(学術雑誌)  

    DOI

 

担当経験のある科目(授業)

  • くらしの中の物質

    東京女子大学  

    2022年04月
    -
    継続中
     

  • 情報処理技法(リテラシ)II

    東京女子大学  

    2021年10月
    -
    継続中