| Project Area | Non-equilibrium-state molecular movies and their applications |
|---|
| Project/Area Number |
20H05453
|
|---|
| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
|
| Allocation Type | Single-year Grants |
|---|
| Review Section |
Complex systems
|
|---|
| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
|---|
Principal Investigator |
宮下 治 国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, 上級研究員 (10620528)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
庄司 光男 筑波大学, 計算科学研究センター, 助教 (00593550)
篠田 恵子 統計数理研究所, ものづくりデータ科学研究センター, 特任助教 (80646951)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
|
| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
|
| Budget Amount *help |
¥83,200,000 (Direct Cost: ¥64,000,000、Indirect Cost: ¥19,200,000)
Fiscal Year 2023: ¥20,800,000 (Direct Cost: ¥16,000,000、Indirect Cost: ¥4,800,000)
Fiscal Year 2022: ¥20,800,000 (Direct Cost: ¥16,000,000、Indirect Cost: ¥4,800,000)
Fiscal Year 2021: ¥20,800,000 (Direct Cost: ¥16,000,000、Indirect Cost: ¥4,800,000)
Fiscal Year 2020: ¥20,800,000 (Direct Cost: ¥16,000,000、Indirect Cost: ¥4,800,000)
|
|---|
| Keywords | 量子古典混合計算 / 化学反応解析 / シミュレーション / ハイブリッドアプローチ / タンパク質 / 構造解析 |
|---|
| Outline of Research at the Start |
時分割シリアルフェムト秒結晶構造解析(SFX)法による「高速分子動画」は、原子分解能で数10フェムト秒からミリ秒までの構造変化を捉える手法である。一方でSFXのデータは、多数のタンパク質分子の平均構造であり、また、電子状態などの詳細を知ることは困難である。本研究では量子古典混合計算による複雑な化学反応解析や、高精度力場を用いた大規模長時間シミュレーション、実験データとシミュレーションを融合させるハイブリッドアプローチなどの多角的な理論研究アプローチを活用することにより、反応の時間・空間・エネルギーに関する詳細な情報を得ることで、タンパク質の動的構造変化とその化学反応機構を解き明かす。
|
| Outline of Annual Research Achievements |
時分割SFX実験により得られる複雑なデータからの動的構造モデリングを分子動力学シミュレーションを活用して、より自動的かつ精密に行う手法の高度化を進めた。本年度は実空間の差フーリエマップからのモデリングを行う手法のソフトウェア整備を進め、実験データへの応用を行なった。また、差フーリエマップを解析することで構造変化を起こしているタンパク質の構造部位を同定するツールの開発を行なった。さらに、分子構造の粗視化モデルによるシミュレーションと画像解析を組み合わせることで、サンプルの大きな構造変化を散乱強度実験データから推定することを可能にするアルゴリズムの研究発表を行った。
長時間MDシミュレーションを用いたバクテリオロドプシンの光反応と構造変化の解析では、SFXで得られたバクテリオロドプシンの励起後760ns(K状態)の結晶構造を用いてプロトン移動に関わるアミノ酸のプロトン化の有無を考慮したシステムを数種類作成し、MDシミュレーションを実施した。また、ケイ酸チャネルLsi1の基質輸送機構の解析では、まずケイ酸の点電荷をFuji力場に対応するように決め直し、Lsi1-ケイ酸のMDシミュレーションを実施した。またケイ酸と比較対象の亜砒酸については力場が存在しないため、atom typeと点電荷、角度、二面角パラメータを１から開発した。
光捕集タンパクC-フィコシアニンの励起エネルギー移動について理論解析を進め、色素の自然配置の重要性を明確にした。銅含有アミン酸化酵素の還元的半反応過程おける大きな構造変化についての理論解析結果を論文化した。ヘリオロドプシンの亜鉛結合に対する構造変化及びヘモグロビン変異体でのラマンバンド帰属について理論解明した。これまで開発を進めてきた構造探索アルゴリズムを応用し、アミノ酸ホモキラリティ起源を理論解明することに成功した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
シミュレーションを活用した実験データから構造モデリング手法の開発やMDシミュレーションによる機能解析について、バクテリオロドプシンや他のタンパク質を対象とした実験グループとの共同研究を含めた計画通りの研究が進んでいる。またQM/MM解析については数多くの実験グループと連携研究によるタンパク質の反応の解析研究が進んでいる。
|
| Strategy for Future Research Activity |
開発を進めてきた時分割SFXにより得られる実験データから分子動力学シミュレーションを活用して構造モデルを構築するための手法の整備を進め、実験データへの応用を行っていく。より汎用的に時分割SFXデータからモデリングが行えるよう分子動力学シミュレーションによる構造サンプリングとX線結晶構造解析における構造精密化を組み合わせるツールを開発する。さらに、実験データより静的構造情報だけでなく動的な構造情報を得ることを目的として、実験データをサンプル分子構造のアンサンブルの平均であることを考慮して実験データを融合利用するシミュレーション手法の開発と応用を行う。
長時間MDシミュレーションを用いたバクテリオロドプシンの光反応と構造変化の解析では、SFXで得られたL状態の結晶構造に対して、プロトン移動に関わるアミノ酸のプロトン化を考慮したシステムを構築しそれらのMDシミュレーションを実施する。得られたトラジェクトリと、これまで取得しているトラジェクトリとを合わせて包括的な構造変化の解析を行う。ケイ酸チャネルLsi1の基質輸送機構の解析では、新たにLsi1-亜砒酸のMDシミュレーションを実施し、昨年度実施したLsi1-ケイ酸のシミュレーション結果と共に解析し基質輸送機構の解明を目指す。また、糖脂質の力場開発も行う。
SFX構造解析で得られた構造変化をもとに、エネルギー及び反応経路についてのQM/MM法による理論解析を実施することで、蛋白質内化学反応機構の解明を深める。具体的には（I）銅含有アミン酸化酵素のトパキノン生成反応機構、 (II)リゾチームに結合したMn錯体の光分解反応、(III)光化学系II酸素発生中心でのS状態遷移での構造変化について研究をまとめ、論文化する。これまで研究を積み重ねてきた構造探索アルゴリズム及びエネルギー移動解析理論を応用することで、新たな研究領域に対しても積極的に挑戦する。
|
