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分子動力学法に基づくタンパク質反応場の理解とタンパク質デザイン

Research Project

Project/Area Number 13J03029
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Physical chemistry
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

馬場 剛史  大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2013-04-01 – 2015-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2014)
Budget Amount *help
¥2,400,000 (Direct Cost: ¥2,400,000)
Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
Fiscal Year 2013: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
Keywords生物物理 / 分子動力学 / QM/MM法 / 酵素反応 / Rare event / 理論化学 / 酸解離定数
Outline of Annual Research Achievements

ナイロンオリゴマー分解酵素の基質であるナイロンオリゴマーは人工化合物であり、自然界に存在しなかった物質である。しかし、本酵素は自然進化によって比較的短期間の間に人工化合物に適応することに成功した珍しい系である。従って、自然進化つまり自然によるこの合理的なデザインがどのように発生したのか明らかにすることができれば、今後の酵素の分子工学およびデザインに対して新しい知見を与えることができると期待される。本年度の研究は、本酵素がどのようにして人工化合物であるナイロンオリゴマーを分解する機能を獲得し、自然に適用できたのかその理由を明確にするため、野生型とその変異体(Y170F)に関して、具体的な反応機構の解明や自由エネルギー地形の算出を行った。着目しているTyr170は、活性中心近傍にあり、基質のアミド結合と水素結合を形成していることが判明している。その一方で、Tyr170は類似タンパク質であるβラクタマーゼには存在しない特異的なアミノ酸残基である。本研究ではQM/MM CPMD法やPaCS-MD、FMO法など様々な計算手法を利用して、Tyr170の役割を検討した。その結果、得られた2つのデータを詳細に比較することによって、今回着目していたTyr170が直接触媒反応に関与していることが判明した。Tyr170が存在することにより人工化合物であるナイロンオリゴマーの分解を促進していることが明らかとなった。本研究によって自然による合理的なデザインによって生じたナイロンオリゴマー分解酵素の反応機構を明らかにした点は、今後様々な酵素のデザインを検討する上で重要な学術的概念を与えると期待される。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2014 Annual Research Report
  • 2013 Annual Research Report
  • Research Products

    (28 results)

All 2015 2014 2013

All Journal Article (8 results) (of which Peer Reviewed: 8 results,  Acknowledgement Compliant: 2 results) Presentation (20 results) (of which Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Unraveling the degradation of artificial amide bonds in Nylon oligomer hydrolase: From induced-fit to acylation processes2015

    • Author(s)
      Takeshi Baba, Mauro Boero, Katsumasa Kamiya, Hiroyuki Ando, Seiji Negoro, Masayoshi Nakano, Yasuteru Shigeta
    • Journal Title

      Phys. Chem. Chem. Phys.

      Volume: 17 Issue: 6 Pages: 4492-4504

    • DOI

      10.1039/c4cp04419c

    • Related Report
      2014 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Hydration effects on enzyme-substrate complex of nylon oligomer hydrolase: inter-fragment interaction energy study by the fragment molecular orbital method2014

    • Author(s)
      Hiroyuki Ando, Yasuteru Shigeta, Takeshi Baba, Chiduru Watanabe, Yoshio Okiyama, Yuji Mochizuki, Masayoshi Nakano
    • Journal Title

      Mol. Phys.

      Volume: 113 Issue: 3-4 Pages: 319-326

    • DOI

      10.1080/00268976.2014.941311

    • Related Report
      2014 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] A density functional study on pK_a, of small polyprotic molecules2014

    • Author(s)
      Takeshi Baba, Toru Matsui, Katsumasa Kamiya, Masayoshi Nakano, and Yasuteru Shigeta
    • Journal Title

      Int. J. Quantum Chem

      Volume: (印刷中) Issue: 17 Pages: 1128-1134

    • DOI

      10.1002/qua.24631

    • Related Report
      2013 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Nylon-Oligomer Hydrolase Promoting Cleavage Reactions in Unnatural Amide Compounds2014

    • Author(s)
      Katsumasa Kamiya, Takeshi Baba, Mauro Boero, Toru Matsui, Seiji Negoro, and Yasuteru Shigeta
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      Volume: 5 Issue: 7 Pages: 1210-1216

    • DOI

      10.1021/jz500323y

    • Related Report
      2013 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 第一原理 Meta-dynamics法、Blue Moon Ensemble法を用いた反応経路解析2014

    • Author(s)
      馬場剛史、安東寛之、重田育照
    • Journal Title

      分子シミュレーション研究会会誌 アンサンブル

      Volume: 16 Pages: 36-41

    • NAID

      130005087683

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      2013 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] On the induced-fit mechanism of substrate-enzyme binding structures of Nylon-oligomer hydrolase2014

    • Author(s)
      Takeshi Baba, Ryuhei Harada, Masayoshi Nakano, Yasuteru Shigeta
    • Journal Title

      J. Comput. Chem.

      Volume: (印刷中)

    • Related Report
      2013 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Quanta= cumulant mechanics and dynamics for multidimensional quantum many-body clusters2013

    • Author(s)
      重田育照
    • Journal Title

      International Journal of Quantum Chemistry

      Volume: 113 Issue: 3 Pages: 348-355

    • DOI

      10.1002/qua.24052

    • Related Report
      2013 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Finite-field method with unbiased polarizable continuum model for evaluation of the second hyperpolarizability of an open-shell singlet molecule in solvents2013

    • Author(s)
      乾 智也、重田育照、奥野克樹、馬場剛史、岸 亮平、中野雅由
    • Journal Title

      Journal of Compulational Chemistry

      Volume: 34 Issue: 27 Pages: 2345-2352

    • DOI

      10.1002/jcc.23395

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      2013 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] FMO法における酵素NylBと基質の残基間相互作用エネルギー変化の統計的解析2015

    • Author(s)
      安東寛之、馬場剛史、重田育照、 渡邉千鶴、沖山佳生、福澤薫、 望月祐志、中野雅由
    • Organizer
      第12回京都大学福井謙一記念研究センターシンポジウム-諸熊奎治先生傘寿記念
    • Place of Presentation
      京都大学福井謙一記念研究センター(京都府京都市)
    • Year and Date
      2015-01-23
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      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] 酵素反応過程の解明に向けた動力学理論による新規構造サンプリング手法の開発とその応用2014

    • Author(s)
      馬場剛史、重田育照、中野雅由
    • Organizer
      第9回協定講座シンポジウム「計算生物学と材料科学の融合III」
    • Place of Presentation
      神戸大学統合研究拠点 (兵庫県神戸市)
    • Year and Date
      2014-12-26
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 酵素の基質結合と大規模構造変化に関する理論的研究2014

    • Author(s)
      馬場剛史、原田隆平、中野雅由、重田育照
    • Organizer
      第8回分子科学討論会
    • Place of Presentation
      広島大学 東広島キャンパス(広島県東広島市)
    • Year and Date
      2014-09-21 – 2014-09-24
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] フラグメント分子軌道法(FMO法)を用いた酵素NylBの誘導適合過程における残基間相互作用エネルギー変化の統計的解析2014

    • Author(s)
      安東寛之、馬場剛史、重田育照、 渡邉千鶴、沖山佳生、福澤薫、 望月祐志、中野雅由
    • Organizer
      第8回分子科学討論会
    • Place of Presentation
      広島大学 東広島キャンパス(広島県東広島市)
    • Year and Date
      2014-09-21 – 2014-09-24
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] ナイロンオリゴマー分解酵素の大規模構造変化に対するアミノ酸変異導入の効果2014

    • Author(s)
      馬場剛史、原田隆平、中野雅由、重田育照
    • Organizer
      第14回日本蛋白質科学会年会
    • Place of Presentation
      ワークピア横浜 (神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2014-06-25 – 2014-06-27
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] ナイロンオリゴマー分解酵素基質複合体の相互作用に対するアミノ酸変異導入の効果2014

    • Author(s)
      安東寛之、 馬場剛史、重田育照、 渡邉千鶴、 沖山佳生、 望月祐志、 中野雅由
    • Organizer
      第14回日本蛋白質科学会年会
    • Place of Presentation
      ワークピア横浜 (神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2014-06-25 – 2014-06-27
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] 大規模構造変化を誘起するMD手法を利用したナイロンオリゴマー分解酵素の誘導適合過程の解明2014

    • Author(s)
      馬場剛史、原田隆平、中野雅由、重田育照
    • Organizer
      第17回理論化学討論会
    • Place of Presentation
      名古屋大学東山キャンパス (愛知県名古屋市)
    • Year and Date
      2014-05-22 – 2014-05-24
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] ナイロンオリゴマー分解酵素の酵素基質複合体の相互作用の理論解析2014

    • Author(s)
      安東寛之, 馬場剛史, 重田育照, 渡邉千鶴, 沖山佳生, 望月祐志, 中野雅由
    • Organizer
      第11回京都大学福井謙一記念センターシンポジウム
    • Place of Presentation
      京都大学福井謙一記念研究センター(京都府京都市)
    • Year and Date
      2014-01-23
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] A theoretical study of hydration effects on enzyme-substragte complex of nylonoligomer hydrolase by the fragment molecular orbital method2014

    • Author(s)
      Hiroyuki Ando, Yasuteru Shigeta, Takeshi Baba, Chizuru Watanabe, Yuji Mochizuki, Masayoshi Nakano
    • Organizer
      The 54th Sanibel Symposium
    • Place of Presentation
      Georgia, (USA)
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      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] 酵素NylB-基質複合体における騰導適合に伴う残基間相互作用エネルギー(IEFE)変化の理論解析2014

    • Author(s)
      安東寛之、馬場剛史、重田育照、渡邉千鶴, 沖山佳生, 望月祐志, 中野雅由
    • Organizer
      日本化学会第94春季年会
    • Place of Presentation
      名古屋大学東山キャンパス(愛知県名古屋市)
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      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] QM/MM CPMD study on the reaction mechanism of Nylon oligo mer Hydrolase2013

    • Author(s)
      Takeshi Baba, Katsumasa Kamiya, Mauro Boero, Masayoshi Nakano, Seiji Negoro, Yasuteru Shigeta
    • Organizer
      CPMD-Meeting
    • Place of Presentation
      Wilhelm-Ostwald-Institute of Physical and Theoretical Chemistry (Germany)
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      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] キュミュランと変数による変分的自由エネルギー解析22013

    • Author(s)
      重田育照、馬場剛史、奥野克樹桑原弘幸、中村亮太、岸亮平、中野雅由
    • Organizer
      理論化学討論会
    • Place of Presentation
      福岡市健康づくりサポートセンター(福岡県福岡市)
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      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] 分子動力学シミュレーションによるナイロン加水分解酵素(Ny1C)の自己分断機構の解析2013

    • Author(s)
      永井圭介、大島祥平、柴田直樹、樋口芳樹、馬場剛史、重田育照、加藤太一郎、武尾正弘、根来誠司
    • Organizer
      第65回日本生物工学会大会
    • Place of Presentation
      広島国際会議場(広島県広島市)
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      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] 複数のプロトン放出サイトを有する分子の酸解離定数の推定に関する理論的研究2013

    • Author(s)
      馬場剛史、松井亨、中野雅由、重田育照
    • Organizer
      第7回分子科学討論会
    • Place of Presentation
      京都テルサ(京都府京都市)
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      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] ヘテロ環化合物酸解離定数の構造-物性相関に関する理論的研究2013

    • Author(s)
      安東 寛之, 馬場 剛史, 奥野 克樹, 重田 育照, 中野 雅由
    • Organizer
      第7回分子科学討論会
    • Place of Presentation
      京都テルサ(京都府京都市)
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      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] ナイロンオリゴマー分解酵素の反応メカニズムに関する研究2013

    • Author(s)
      馬場剛史、神谷克政、Mauro Boero、重田育照
    • Organizer
      化学反応経路探索のニューフロンティア2013
    • Place of Presentation
      京都大学福井謙一記念研究センター(京都府京都市)
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      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] ナイロン分解酵素基質複合体の相互作用の理論解析2013

    • Author(s)
      安東寛之、馬場剛史、重田育照、渡邉千鶴、沖山佳生、望月祐志、中野雅由
    • Organizer
      第3回CSJ化学フェスタ2013
    • Place of Presentation
      タワーホール船堀(東京都江戸川区)
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      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] 複数のプロトン化状態をとる分子の酸解離定数(pKa)の計算手法2013

    • Author(s)
      馬場剛史、松井 亨、中野雅由、重田育照
    • Organizer
      第3回CSJ化学フェスタ2013
    • Place of Presentation
      タワーホール船堀(東京都江戸川区)
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] Computational studies of mutational effects on nylon degrading enzyme2013

    • Author(s)
      Takeshi Baba, Katsumasa Kamiya, Toru Matsui, Masayoshi Nakano, Seiji Negoro, Boero Mauro, Yasuteru Shigeta
    • Organizer
      日本生物物理学会第51回年会
    • Place of Presentation
      国立京都国際会館(京都府京都市)
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] Statistical mechanics based on cumulant dynamics2013

    • Author(s)
      Yasuteru Shigeta, Takeshi Baba, Hiroyuki Ando, Ryota Nakamura, Taku Takebayashi, Ryohei Kishi, and Masayoshi Nakano
    • Organizer
      5th JCS International Symposium on Theoretical Chemistry
    • Place of Presentation
      Todai-ji Culture Center (Nara)
    • Related Report
      2013 Annual Research Report

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Published: 2014-01-29   Modified: 2024-03-26  

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