Study of protein performance modification based on canonical molecular orbital analysis
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21H02056
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 37010:Bio-related chemistry
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
佐藤 文俊 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (00235392)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥18,330,000 (Direct Cost: ¥14,100,000、Indirect Cost: ¥4,230,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2021: ¥15,470,000 (Direct Cost: ¥11,900,000、Indirect Cost: ¥3,570,000)
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| Keywords | 正準分子軌道 / タンパク質 / 密度汎関数法 / タンパク質工学 / タンパク質性能改変 / 正準分子軌道計算 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、タンパク質の分子軌道を制御している機構を明らかにすることで、化学的根拠に基づいたタンパク質改変の基盤技術を構築する。
・本申請者らが開発した標準のハイブリッド密度汎関数法に基づく正準分子軌道法を用いて、タンパク質の分子軌道の形状を系統的に分析・解析する。タンパク質の全ての分子軌道を計算できるソフトは他にない。
・どのアミノ酸残基が活性中心に影響を及ぼしているかを明らかにする方法を提案・検証する。
・タンパク質工学に適したアミノ酸残基置換法で、量子化学的根拠を以ってタンパク質の性能改変を解析・予測する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、タンパク質の分子軌道を制御する機構を明らかにし、これに基づきタンパク質の化学的性質を改変する基盤技術を構築することである。我々は含金属タンパク質を対象とした正準分子軌道計算を達成できる量子化学計算プログラムProteinDFならびにQCLO法に基づく大規模分子自動計算プログラムQCLObotを開発している。タンパク質をまるごと量子化学的に取り扱うことのできるProteinDFは、局所基底関数としてGauss型基底関数展開を利用することで原子1つ1つが系全体の電子状態に与える影響を議論することができる。一方QCLObotは、複雑なヘテロ分子を含むタンパク質でも量子化学計算の収束解に近い高精度な初期値を作成するプログラムである。
これまでに達成してきたタンパク質の正準分子軌道計算による結果を観察すると、その分子軌道が広範囲にわたって広がっているものと、広がらずに局在化しているものがあることがわかってきた。本年度は分子軌道対応法の開発をおこなった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまでに達成してきたタンパク質の正準分子軌道計算による結果を観察すると、その分子軌道が広範囲にわたって広がっているものと、広がらずに局在化しているものがあることがわかってきた。これはアミノ酸残基の改変(変異)によってタンパク質の電子構造が容易に変化するタンパク質と、変異による電子構造論的影響に対してロバストな耐性をもつタンパク質があることを意味している。大規模分子であるタンパク質は電子数も多く、当然ながら分子軌道の数も多くなる。しかも炭素、酸素、窒素など最外殻軌道が2s, 2pとなる元素が主成分であり、分子軌道を構成する原子軌道が似たものが多い。したがって分子軌道のエネルギー準位の間隔は非常に密となり、分子軌道の由来を解析するのは困難である。
QCLO法と分子軌道重なり法の組み合わせにより、大規模分子(スーパーユニット)の分子軌道とサブユニットの分子軌道の関連性を解析する手法を開発した。分子軌道重なり法による分子軌道の評価では、2つの軌道が全く重ならない場合は0を、ぴったり同じ軌道になる場合は1を与える。QCLO法におけるサブユニットの分子軌道とスーパーユニットの分子軌道の分子軌道重なり計算を網羅的に行い、評価値の大きな分子軌道の組み合わせを抽出することで、サブユニットの分子軌道対応するスーパーユニットの分子軌道を簡単に見つけることができるようになった。これまでの研究者の勘と経験に頼る観察方法と異なり、網羅的にかつ客観的に分子軌道の由来を探査することができるようになった。大量データゆえに見逃されてきた興味深い分子軌道の振る舞いを観察することができるかもしれない。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後、本手法をさまざまなタンパク質の正準分子軌道計算結果に適用して分子軌道の解析に役立てていく。特にアミノ酸残基を改変したミュータントタンパク質の正準分子軌道計算を行い、アミノ酸残基を置き換えたことによる正準分子軌道の変化を追跡する。また本研究で開発した解析手法はマニュアル等を整備したのち、随時インターネット上で公開予定である。
依然としてタンパク質の正準分子軌道計算は計算コストが高い。ProteinDFとQCLObotの計算効率を向上させるため、ProteinDFの最適化・高速化および並列化と、QCLObotの大規模分子対応を並行して作業を行う。バージョンアップしたProteinDFおよびQCLObotはGPL v3ライセンスのもとオープンソースとしてインターネット上で公開する。
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Report
(2 results)
Research Products
(15 results)
