宇都 卓也 (ウト タクヤ)

UTO Takuya

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職名

助教

研究分野・キーワード

計算化学

出身大学 【 表示 / 非表示

  • 2006年04月
    -
    2010年03月

    宮崎大学   教育文化学部   学校教育課程理系教科教育選修   卒業

出身大学院 【 表示 / 非表示

  • 2010年04月
    -
    2012年03月

    宮崎大学大学院  工学研究科  物質環境化学専攻  修士課程  修了

  • 2012年04月
    -
    2014年09月

    宮崎大学大学院  農学工学総合研究科  生物機能応用科学専攻  博士課程  修了

取得学位 【 表示 / 非表示

  • 宮崎大学 -  博士(工学)

  • 宮崎大学 -  修士(工学)

  • 宮崎大学 -  学士(教育学)

専門分野(科研費分類) 【 表示 / 非表示

  • 物理化学

  • 高分子・繊維材料

  • 生命・健康・医療情報学

 

論文 【 表示 / 非表示

  • Molecular dynamics simulation of cellulose synthase subunit D octamer with cellulose chains from acetic acid bacteria: Insight into dynamic behaviors and thermodynamics on substrate recognition

    Takuya Uto, Yuki Ikeda, Naoki Sunagawa, Kenji Tajima, Min Yao, Toshifumi Yui

    Journal of Chemical Theory and Computation   17 ( 1 ) 488 - 496   2021年01月  [査読有り]

    共著

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    The present study reports the building of a computerized model and molecular dynamics (MD) simulation of cellulose synthase subunit D octamer (CesD) from Komagataeibacter hansenii. CesD was complexed with four cellulose chains having DP = 12 (G12) by model building, which revealed unexpected S-shaped pathways with bending regions. Combined conventional and accelerated MD simulations of CesD complex models were carried out, while the pyranose ring conformations of the glucose residues were restrained to avoid undesirable deviations of the ring conformation from the 4C1 form. The N-terminal regions and parts of the secondary structures of CesD established appreciable contacts with the G12 chains. Hybrid quantum mechanical (QM) and molecular mechanical (MM) simulations of the CesD complex model were performed. Glucose residues located at the pathway bends exhibited reversible changes to the ring conformation into either skewed or boat forms, which might be related to the function of CesD in regulating microfibril production.

    DOI PubMed

  • Irregular and suppressed elastic deformation by a structural twist in cellulose nanofibre models

    Kojiro Uetani, Takuya Uto, Nozomu Suzuki

    Scientific Reports   11 ( Article number: 790 )   2021年01月  [査読有り]

    共著

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    The elastic responsiveness of single cellulose nanofibres is important for advanced analysis of biological tissues and their use in sophisticated functional materials. However, the mechanical responsiveness derived from the twisted structure of cellulose nanofibres (CNFs) has remained unexplored. In this study, finite element simulations were applied to characterize the deformation response derived from the torsional structure by performing tensile and bending tests of an unconventionally very long and twisted rod model, having the known dimensional parameters and properties of CNFs. The antagonistic action of two types of structural elements (a contour twist and a curvilinear coordinate) was found to result in an irregular deformation response but with only small fluctuations. The contour twist generated rotational displacements under tensile load, but the curvilinear coordinate suppressed rotational displacement. Under bending stress, the contour twist minimized irregular bending deformation because of the orthotropic properties and made the bending stress transferability a highly linear response.

    DOI

  • Non-aqueous, zwitterionic solvent as an alternative for dimethyl sulfoxide in the life sciences

    Kosuke Kuroda, Tetsuo Komori, Kojiro Ishibashi, Takuya Uto, Isao Kobayashi, Riki Kadokawa, Yui Kato, Kazuaki Ninomiya, Kenji Takahashi, Eishu Hirata

    Communications Chemistry   3 ( Article number: 163 )   2020年11月  [査読有り]

    共著

     概要を見る

    Dimethyl sulfoxide (DMSO) is widely used as a solvent in the life sciences, however, it is somewhat toxic and affects cell behaviours in a range of ways. Here, we propose a zwitterionic liquid (ZIL), a zwitterion-type ionic liquid containing histidine-like module, as a new alternative to DMSO. ZIL is not cell permeable, less toxic to cells and tissues, and has great potential as a vehicle for various hydrophobic drugs. Notably, ZIL can serve as a solvent for stock solutions of platinating agents, whose anticancer effects are completely abolished by dissolution in DMSO. Furthermore, ZIL possesses suitable affinity to the plasma membrane and acts as a cryoprotectant. Our results suggest that ZIL is a potent, multifunctional and biocompatible solvent that compensates for many shortcomings of DMSO.

    DOI

  • Nanocellulose enriches enantiomers in asymmetric aldol reactions

    Naliharifetra Jessica Ranaivoarimanana, Xin Habaki, Takuya Uto, Kyohei Kanomata, Toshifumi Yui, Takuya Kitaoka

    RSC Advances   10 ( 61 ) 37064 - 37071   2020年10月  [査読有り]

    共著

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    Cellulose nanofibers obtained from wood pulp by TEMPO-mediated oxidation acted as a chiral enhancer in direct aldol reactions of 4-nitrobenzaldehyde and cyclopentanone with (S)-proline as an organocatalyst. Surprisingly, catalytically inactive TEMPO-oxidized cellulose nanofibers enriched the (R,R)-enantiomer in this reaction, affording 89% ee in the syn form with a very high yield (99%). Conversely, nanocellulose-free (S)-proline catalysis resulted in poor selectivity (64% ee, syn form) with a low yield (18%). Green organocatalysis occurring on nanocellulose solid surfaces bearing regularly aligned chiral carbons on hydrophobic crystalline facets will provide new insight into asymmetric synthesis strategies for interfacial catalysis.

    DOI

  • The effects of the position of the ether oxygen atom in pyrrolidinium-based room temperature ionic liquids on their physicochemical properties

    Kazuki Yoshii, Takuya Uto, Naoki Tachikawa, Yasushi Katayama

    Physical Chemistry Chemical Physics   22 ( 35 ) 19480 - 19491   2020年09月  [査読有り]

    共著

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    Room temperature ionic liquids (RTILs) containing ether oxygen atoms have been investigated for a gamut of science and technology applications owing to their superior physicochemical properties. However, the effect of the position of the ether oxygen atom in the side chain on their physicochemical properties is not clearly understood. This study investigates, using both experimental and computational approaches, the effect of ether oxygen atoms on the physicochemical properties of RTILs consisting of bis(trifluoromethylsulfonyl)amide (TFSA−) with 1-methyl-1-propylpyrrolidinium (MPP+), 1-butyl-1-methylpyrrolidinium (BMP+), 1-methoxymethyl-1-methylpyrrolidinium (MOMMP+), 1-ethoxymethyl-1-methylpyrrolidinium (EOMMP+), and 1-methoxyethyl-1-methylpyrrolidinium (MOEMP+). The viscosity of the RTILs containing the ether oxygen atom was lower than that of the alkyl analogues. Moreover, the viscosity of EOMMPTFSA was lower than that of MOEMPTFSA, albeit EOMMPTFSA and MOEMPTFSA have the same molecular weight with ether oxygen atoms at different positions. Ab initio calculations reveal that the number of methylene groups between nitrogen and oxygen atoms in the cation structure profoundly impacts the local stable structure of the cation. Furthermore, we discussed the relationship between the transport properties and the spatial distribution of ions obtained by MD simulations. This result will be valuable in the design of functionalized RTILs, via the judicious tuning of the conformational flexibility of ether oxygen atoms in related ionic liquids.

    DOI PubMed

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著書 【 表示 / 非表示

  • セルロースナノファイバーの調製、分散・複合化と製品応用

    湯井敏文、宇都卓也 (担当: その他 , 担当範囲: 計算化学手段によるセルロースナノファイバー構造のミクロ解析 )

    ㈱技術情報協会  2015年01月

総説・解説記事 【 表示 / 非表示

学術関係受賞 【 表示 / 非表示

  • 平成30年度繊維学会奨励賞

    2019年06月06日   公益社団法人 繊維学会   構造多糖材料の結晶構造特性と溶解機構に関する計算化学研究  

    受賞者:  宇都 卓也

科研費(文科省・学振)獲得実績 【 表示 / 非表示

  • 計算化学とデータ科学の融合による構造多糖材料における界面メカニズムの解明

    若手研究

    研究期間:  2020年04月  -  2023年03月  代表者:  宇都 卓也

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    木質細胞壁や甲殻類外骨格などに見出されるセルロースやキチンは構造多糖であり、高結晶性繊維のため、水や一般的な有機溶媒に難溶で加工性に乏しい問題がある。最近、セルロースやキチンを良好に溶解するイオン液体が注目されている。本研究課題では、イオン液体の基本骨格や側鎖構造の違いによって、セルロースやキチンの溶解性にどのような影響を与えるのかに着目し、界面ダイナミクスや分子論的観点から解析する。具体的には、様々なイオン液体の溶解シミュレーションを基に溶解機構を体系的に解析し、熱力学的パラメータによる定量的評価を行う。さらに、データ駆動型解析と連携させることで、新規な可溶化溶媒の探索・発見につなげる。

  • 糖結合モジュールタンパク質による糖鎖基質認識機構の網羅的解析

    基盤研究(C)

    研究期間:  2017年04月  -  2020年03月  代表者:  湯井 敏文

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    孤立分子鎖または結晶状態のセルロースやキチン糖鎖基質と可逆的(非触媒的)に結合する糖結合モジュール(CBM)タンパク質を対象とした。CBMは触媒能力を持たないが、触媒ドメインの基質に対するアクセシビリティを向上させる。酵素本体(触媒ドメイン)に基質が活性部位に結合した複合体の場合、結晶構造解析対象となることが多いが、可逆的かつ多様な結合状態が予想されるCBM-糖鎖複合体の結晶構造解析研究例は限られている。本研究は、コンピュータによる分子シミュレーションを手段として、CBMの基質認識機構を明らかにすることを目的とした。CBMは糖鎖に対する結合様式によって、主に不溶・結晶状態の糖鎖に対してCBM表面が認識する様式(Type A)、CBM表面の浅いクレフト上で孤立糖鎖を認識する様式(Type B)、および糖1~2残基程度の糖鎖部分に対してCBM表面が認識する様式(Type C)に分類される。これらの三つの結合様式に対応する複数のCBMをモデル系として選択し、それらCBMと糖鎖基質の複合体構造モデル群を網羅的に求める。得られた複合体モデル群のシミュレーション計算を実施し、基質認識に関わる熱力学量や立体構造を解析する。さらに、CBM表面に対する糖鎖基質の結合・脱離過程や結合クレフト上の基質移動過程等のより大きな構造変化を伴う基質認識過程を、分子シミュレーション計算によって再現する。以上の知見から、CBMが示す可逆的かつ多様な糖鎖基質認識機構の空間的・時間的な全体像を明らかにする。一般に、糖加水分解酵素(セルラーゼ、キチナーゼ等)は、CBMを失うと触媒活性を大きく低下する。本研究の成果は、酵素全体の反応機構に理解に貢献することに加え、加水分解活性や基質認識特性を制御する変異CBM設計へと展開することが期待される。

  • 材料設計指針の構築を目指したセルロース結晶の表界面における分子論的描像の解明

    特別研究員推奨費

    研究期間:  2016年04月  -  2019年03月  代表者:  宇都 卓也

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    最近、構造多糖を溶解するイオン液体に注目がされている。異なるイオン液体のセルロースやキチンに対する溶解性を関連づけるために、イオン液体中におけるセルロース・キチン溶解の分子動力学計算を実施した。その結果、イオン液体のカチオンとアニオンが協同的にセルロース・キチンの分子間水素結合を切断する溶解過程を観察した。特に、界面に存在する臭化物イオンがキチン溶解に寄与することが計算によって示唆されたため、微量の臭化物イオン存在下でもキチン溶解性が向上することを実験によって検証した。また、水素結合切断量と実際のセルロース・キチン溶解度が強く相関し、文献情報の無いイオン液体の溶解度を予測した。さらに、多糖材料の高次構造制御に関する体系的な理解を目的として、イオン液体中でのキサンタンガムのダイナミクス挙動や、臭化カルシウム二水和物/メタノール溶液中でのキチン溶解現象について計算化学的手段により解析した。また、セルロースの結晶構造を3次元分解した分子鎖シートモデルに対して、密度汎関数理論計算を適用した。その結果、天然セルロース繊維について、長年議論されてきた変形特性の要因が、Iα型(110)/Iβ型(100)面の平面状分子鎖シートに由来することを明らかにした。天然型セルロース結晶のアミン処理によって得られるⅢ型結晶構造(100)面由来の孤立分子鎖シートモデルがナノチューブ形態に変化することを以前に観察した。本年度は、シクロヘキサンおよび酢酸エチル中でのセルロースナノチューブ(CelNT)モデルの立体構造安定性を評価した。実験的にセルロース分子鎖をチューブ状に自己組織化させ、CelNT構造を創製することは容易でないと推定されるが、提案したチューブ構築原理は、疎水性表面を持つセルロースの様々なナノ構造体設計へと展開しうるものと期待される。

  • セルロース結晶構造特性解析を基盤とした新規セルロース関連材料の分子設計研究

    特別研究員推奨費

    研究期間:  2014年04月  -  2016年03月  代表者:  宇都 卓也

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    植物細胞壁の主成分であるセルロースは、天然でほぼ単結晶に相当する高結晶繊維として生産され、それらを微細化したセルロースナノファイバーは複合材料のナノフィラーとして注目されている。本研究では、計算化学的手法により、セルロース結晶の構造特性に関する分子論的理解を深め、それら知見を基盤とした新規セルロース関連材料を提案した。これまで計算化学研究により予測されたセルロースナノチューブ(CelNT)について、立体構造や熱力学特性および、それら特性に対する形状、サイズや溶媒の影響を解析した。量子化学計算により、予測されたCelNT構造に基づいて、任意に分子鎖配置やサイズをデザインしたCelNTモデルへと拡張し、様々な溶媒条件でのダイナミクス構造を検討した。シミュレーションの様々な時間帯で、局所構造に相当するヒドロキシメチル基の配座変換に伴って、分子鎖間水素結合様式の交換が観察された。このような高頻度のヒドロキシメチル基配向や分子鎖間水素結合の交換は、平面状分子鎖シートで構成されるセルロース結晶構造中では観察されず、CelNTの曲面分子鎖シートに起因する特徴と推定された。次に、チューブ表面における溶媒密度分布をマッピングする新たな解析手法を確立し、ナノチューブ表面で低誘電率の溶媒分子が集合している様子(構造化)を観察した。特に、シクロヘキサンやベンゼンなどといった低誘電率の無極性溶媒では、チューブ表面における溶媒分子の構造化が顕著であった。このような結果から、本研究で提案されたCelNTは、分子鎖シート両端の親水基が閉じることで疎水的性質が支配的となる新たなセルロース高次構造である可能性が示唆された。