Theoretical Development for Chemical Reaction Dynamics and Kinetics in Molecular Systems with Heterogeneous and Dynamical Fluctuations

• Project/Area Number: 19J01569
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
• Research Institution: Institute for Molecular Science
• Principal Investigator: 松村 祥宏 分子科学研究所, 理論・計算分子科学研究領域, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: Dynamic disorder / Dynamic correlation / Internal water exchanges / Protein dynamics / Dynamical disorder / Rate process / Fluctuations / Heterogeneity / Molecular theory

Outline of Research at the Start

原子や分子が多数集まった凝縮系（溶液、蛋白質など）における化学反応や構造変化は、微視的スケールの複雑な（不均一かつ動的な）揺らぎの下で進行する。一分子計測実験や計算機シミュレーションの発展により現象の時間発展に関する膨大な情報が微視的レベルで得られるようになったが、揺らぎの影響の理解は未だ確立されていない。本研究では、揺らぎの影響を解明・理解する理論および記述・予測する理論を構築し、凝縮系における化学反応・構造変化の原理・法則を導き出す。

Outline of Annual Research Achievements

反応や状態遷移イベントは周囲環境の不均一性を反映して時系列に沿った相関（動的相関）を示す. 本研究では動的相関の微視的起源を解明するための解析手法の確立を目指し、水中のBPTIタンパク質に関する1ミリ秒の超長時間MDの時系列データを対象とした研究を行った.
BPTIには内部水が存在して水素結合によってタンパク質の構造安定化に寄与している. 内部水がバルク水分子と交換する過程（内部水交換）がNMR緩和分散実験およびMD計算で調べられてきた. 特にMD計算に基づいて内部水の交換時間の１次元分布関数が解析され、複数の時間スケールおよびそれらの間の動的相関の存在が示唆された. しかし、詳細はわかっていない. そこで、内部水の交換時間の２次元分布関数に基づく一連の解析によって動的相関を微視的に解明するための研究を行った.
NMR実験とMD計算で平均交換時間に良好な一致がみられる内部水（W112）を対象とした. まず、交換時間の自己相関関数の解析から相関緩和の時定数が求められ、BPTIのCys14-Cys38ジスルフィド結合周囲の二面角ダイナミクスの時定数との対応から両者の関連性が示唆された. 交換時間の２次元分布関数の解析によって１マイクロ秒スケールと１０ナノ秒スケールの交換時間成分の間の遷移が相関緩和の要因であるとわかり、２次元分布関数の相関項における寄与の解析から、この遷移はCys14-Cys38ジスルフィド結合に関する２つの構造状態、Majorとminor、の間の変化と関連することがわかった. また、Major構造-minor構造間の遷移に伴って内部水（W112）と水素結合しているBPTI中の２つのループ構造L1およびL2の間の距離が変化しており、これによる内部水（W112）の安定化・不安定化と交換時間の相関との関わりが示唆された.

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Microscopic insights into dynamic disorder in the isomerization dynamics of the protein BPTI (2021)
  • Author(s): MATSUMURA Yoshihiro、SAITO Shinji
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 154 Issue: 22 Pages: 224113-224113
  • DOI: 10.1063/5.0055152
  • Peer Reviewed
• [Presentation] タンパク質の構造変化における動的揺らぎの分子論的解析 (2021)
  • Author(s): 松村祥宏、斎藤真司
  • Organizer: 第15回分子科学討論会, 1E12, 北海道, オンライン(Zoom) , 9月 口頭.
• [Presentation] タンパク質の構造変化における動的揺らぎの分子論的解析 (2021)
  • Author(s): 松村祥宏、斎藤真司
  • Organizer: 分子集合系計算科学セミナー, 阪大基礎工, オンライン (Zoom) 口頭.
  • Invited
• [Presentation] 確率的に揺らぐ速度係数に基づくタンパク質の構造動力学解析 (2021)
  • Author(s): 松村祥宏、斎藤真司
  • Organizer: 第23回理論化学討論会, 2P37, オンライン(Zoom), 5月 ポスター.
• [Presentation] タンパク質の構造変化における動的揺らぎの分子論的解析 (2021)
  • Author(s): 松村祥宏、斎藤真司
  • Organizer: 第43回溶液化学シンポジウム, P29, オンライン(Zoom), 10月 ポスター.
• [Presentation] Microscopic insights into dynamic disorder in the conformational changes of the protein (2021)
  • Author(s): Yoshihiro Matsumura and Shinji Saito
  • Organizer: CCP2021, online, August Poster.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 凝縮系の不均一動力学(dynamical disorder)の分子論開拓: タンパク質の構造遷移・揺らぎ階層性 (2019)
  • Author(s): 松村祥宏, 斉藤真司
  • Organizer: 第13回分子科学討論会, 名古屋, 2019年9月, 口頭.
• [Presentation] Theoretical investigations on microscopic heterogeneity and hierarchy in transitions and fluctuations of protein conformations (2019)
  • Author(s): 松村祥宏, 斉藤真司
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会, 宮崎, 2019年9月, ポスター.