生体系における自己組織化・秩序化過程の統一的解明－水を主役として－

• Project/Area Number: 13J03866
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biophysics
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 尾嶋 拓 京都大学, エネルギー理工学研究所, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥4,320,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2015: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2014: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2013: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 溶媒の並進配置エントロピー / 自己組織化・秩序化過程 / 排除体積効果 / 溶質ー溶媒多体相関 / 溶質-溶媒多体相関

Outline of Annual Research Achievements

蛋白質の熱安定性には周辺の水が重要な役割を果たしていることがわかっており、蛋白質の安定性を評価するために水和熱力学量を求める方法が求められている。しかし、蛋白質の水和をよく再現することができる従来の手法は計算コストが高く、実用的ではない。Generalized Born (GB) 法とMorphometric Approach (MA)を組み合わせた計算法を開発し、水和熱力学量の計算によく用いられる液体論や分子動力学（MD）シミュレーションの計算コストの削減を行った。我々の手法では、任意の水和熱力学量を溶質の4つの幾何学的指標（排除体積V、露出表面積A、平均曲率の積分値X、ガウス曲率の積分値Y）とGBエネルギーの線形結合で表現する。一度係数が求まると、任意の形状の溶質の水和自由エネルギーを幾何学的指標とGBエネルギーの計算だけで求めることができる。この方法によって従来の方法で得られた水和自由エネルギーを再現でき、かつ劇的に計算時間を短縮することができた。
p53蛋白質のC末端(p53CTD)は水溶液中では特定の構造を取らないが、複数のターゲット蛋白質と結合することができ、ターゲットごとに異なる構造へと折り畳むことによって結合することが知られていた。p53CTDの結合と構造変化のメカニズムを明らかにするため、p53CTDと4種類のターゲット蛋白質との結合における水和熱力学量変化を積分方程式理論を用いて計算し、水の影響を調べた。すべての結合において、水のエントロピー効果が支配的であることがわかった。結合における静電およびvan del Waals的なエネルギー利得は、結合時の水との水素結合の切断によるエネルギー損失によってほぼキャンセルされてしまうことがわかった。また、同じ解析方法により、アクチンとミオシンの結合も水のエントロピー利得に駆動されていることを明らかにした。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] A highly efficient hybrid method for calculating the hydration free energy of a protein (2016)
  • Author(s): H. Oshima, M. Kinoshita
  • Journal Title: Journal of Computational Chemistry Volume: 37 Issue: 8 Pages: 712-723
  • DOI: 10.1002/jcc.24253
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Mechanism of One-to-many Molecular Recognition Accompanying Target-dependent Structure Formation: For the Tumor Suppressor p53 Protein as an Example (2015)
  • Author(s): T. Hayashi, H. Oshima, S. Yasuda, M. Kinoshita
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry B Volume: 119 Issue: 44 Pages: 14120-14129
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.5b08513
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] On the physics of thermal-stability changes upon mutations of a protein (2015)
  • Author(s): S. Murakami, H. Oshima, T. Hayashi, M. Kinoshita
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 143 Issue: 12 Pages: 125102-125102
  • DOI: 10.1063/1.4931814
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Essential roles of protein-solvent many-body correlation in solvent-entropy effect on protein folding and denaturation: Comparison between hard-sphere solvent and water (2015)
  • Author(s): H. Oshima, M. Kinoshita
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 142 Issue: 14 Pages: 145103-145103
  • DOI: 10.1063/1.4917075
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Statistical Thermodynamics for Functionally Rotating Mechanism of the Multidrug Efflux Transporter AcrB (2015)
  • Author(s): H. Mishima, H. Oshima, S. Yasuda, M. Kinoshita
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry B Volume: 119 Issue: 8 Pages: 3423-3433
  • DOI: 10.1021/jp5120724
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Changes in hydrophobic and hydrophilic hydration properties caused by raising the pressure or by lowering the temperature (2014)
  • Author(s): M. Kinoshita, H. Oshima
  • Journal Title: Chemical Physics Letters Volume: 610-611 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2014.07.010
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Binding of an RNA aptamer and a partial peptide of a prion protein: crucial importance of water entropy in molecular recognition (2014)
  • Author(s): T. Hayashi, H. Oshima, T. Mashima, T. Nagata, M. Katahira, M. Kinoshita
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 42 Issue: 11 Pages: 6861-6875
  • DOI: 10.1093/nar/gku382
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Effects of sugars on the thermal stability of a protein (2013)
  • Author(s): Hiraku Oshima and Masahiro Kinoshita
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 138 Issue: 24
  • DOI: 10.1063/1.4811287
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] On the Physics of Multidrug Efflux through a Biomolecular Complex (2013)
  • Author(s): H. Mishima, H. Oshima, S. Yasuda, K. Amano, M Kinoshita
  • Journal Title: Journal of Chemical Physics Volume: 139 Issue: 20
  • DOI: 10.1063/1.4832896
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ESSENTIAL ROLES OF WATER IN ACTIN-MYOSIN BINDING (2016)
  • Author(s): H. Oshima, T. Hayashi, M. Kinoshita
  • Organizer: Biophysical Society 60th Annual Meeting
  • Place of Presentation: Los Angeles Convention Center, Los Angeles, California, USA
  • Year and Date: 2016-02-27
• [Presentation] タンパク質の水和自由エネルギーの高速計算法の開発 (2015)
  • Author(s): 尾嶋拓
  • Organizer: 鳩山サイエンスフォーラム in 北千住
  • Place of Presentation: 東京電機大学 東京千住キャンパス, 東京都足立区
  • Year and Date: 2015-12-19
• [Presentation] A theoretical analysis on water roles in actin-myosin binding (2015)
  • Author(s): H. Oshima, T. Hayashi, M. Kinoshita
  • Organizer: 日本生物物理学会第53回年会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス自然科学本館、金沢市
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] 溶媒エントロピーの多体相関成分の蛋白質安定性への影響 (2015)
  • Author(s): 尾嶋拓
  • Organizer: 九大物性理論研究室・統計物理学研究室合同セミナー
  • Place of Presentation: 九州大学箱崎キャンパス, 福岡市
  • Year and Date: 2015-06-27
• [Presentation] 蛋白質水和自由エネルギー計算用の一般化ボルン法と形態計測学的アプローチの統合型方法論 (2015)
  • Author(s): 尾嶋拓、木下正弘
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] PHYSICAL PICTURE FOR FUNCTIONALLY ROTATING MECHANISM OF THE MULTIDRUG EFFLUX TRANSPORTER ACRB (2015)
  • Author(s): H. Mishima, H. Oshima, S. Yasuda, M. Kinoshita
  • Organizer: Biophysical Society 59th Annual Meeting
  • Place of Presentation: Baltimore Convention Center
  • Year and Date: 2015-02-07 – 2015-02-11
• [Presentation] Physical Picture for Mechanism of Conformational Rotation of Multidrug Transporter AcrB (2014)
  • Author(s): H. Mishima, H. Oshima, S. Yasuda, M. Kinoshita
  • Organizer: 日本生物物理学会第52回年会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
• [Presentation] 蛋白質の構造安定性における溶媒エントロピーの効果－蛋白質-溶媒間多体相関成分の重要性について－ (2014)
  • Author(s): 尾嶋拓、木下正弘
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] Physical origin of sugar-induced enhancement in the thermal stability of a protein (2014)
  • Author(s): H. Oshima, M. Kinoshita
  • Organizer: Liquids 2014
  • Place of Presentation: University of Lisbon
  • Year and Date: 2014-07-21 – 2014-07-25
• [Presentation] Crucial Importance of Protein-Solvent Many-Body Correlation for Solvent-Entropy Effect in Structural Stability of a Protein (2014)
  • Author(s): Hiraku Oshima and Masahiro Kinoshita
  • Organizer: Biophysical Society 58th Annual Meeting
  • Place of Presentation: Moscone Center (アメリカ合衆国カリフォルニア州サンフランシスコ)
• [Presentation] Crucial Importance of Protein-Solvent Many-Body Correlation for Solvent-Entropy Effect in Structural Stability of a Protein (2014)
  • Author(s): Hiraku Oshima and Masahiro Kinoshita
  • Organizer: Nagoya Symposium on Depletion Forces : Celebrating the 60th Anniversary of the Asakura-Oosawa Theory
  • Place of Presentation: 名古屋大学野依学術交流会館、理学南館坂田・平田ホール(名古屋市)
• [Presentation] タンパク質の熱安定性への糖の影響 (2014)
  • Author(s): 尾嶋 拓
  • Organizer: 日本物理学会第69回年次大会
  • Place of Presentation: 東海大学(神奈川県平塚市)
  • Invited
• [Presentation] A theoretical analysis for sugar-induced thermal stability of a protein (2013)
  • Author(s): Hiraku Oshima and Masahiro Kinoshita
  • Organizer: 7th Mini-Symposium on Liquids
  • Place of Presentation: 九州大学(福岡市)
• [Presentation] Effects of sugars on the thermal stability of a Protein (2013)
  • Author(s): Hiraku Oshima and Masahiro Kinoshita
  • Organizer: 25th IUPAP International Conference on Statistical Physics
  • Place of Presentation: Seoul National University (韓国ソウル)
• [Presentation] Solvent-Entropy Effect in Structural Stability of a Protein : Crucial Importance of Protein-Solvent Many-Body Correlation (2013)
  • Author(s): Hiraku Oshima, Shota Murakami, and Masahiro Kinoshita
  • 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(京都市)