酵素反応場を活用した反応障壁の自在制御を可能にする基質設計手法の確立
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22K05024
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
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| Research Institution | Osaka Metropolitan University |
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Principal Investigator |
麻田 俊雄 大阪公立大学, 大学院理学研究科, 教授 (10285314)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
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| Keywords | 高速・高信頼性MDシミュレーション / 効率的反応経路最適化 / 自由エネルギー寄与マップ / 反応制御分子設計 / SARS-CoV-2 / MPro / 酵素阻害機構 / 酵素反応場 / 機械学習支援 |
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| Outline of Research at the Start |
生体内の酵素反応を制御することは、多分子系の反応の理解と新薬の開発において重要な課題である。コロナウィルスが細胞内で増殖する際に産生する酵素と阻害剤分子の酵素反応を対象に、(1)自由エネルギー面上における反応経路を、独自の電荷－原子双極子応答核法を用いた手法で最適化し、(2)自由エネルギー寄与分割法によって反応エネルギー障壁に最も重要な役割を果たすアミノ酸残基を定量的に特定する。さらに(3)酵素反応場を活用した効率的な新規阻害剤分子の分子設計手法の確立を目指す。独自の応答核法を用いることで、自由エネルギー反応経路に沿った詳細な反応メカニズムの解明と創薬への展開が可能な革新的な研究である。
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| Outline of Annual Research Achievements |
"どのようにすれば理論的に酵素反応場を取り入れて、高効率かつ自在に巨大分子系における反応の自由エネルギー障壁を制御できるか"が、本研究の主たる「問い」である。これに答えるため、新型コロナウィルスが産生するメインプロテアーゼ MPro とその阻害剤 N3 の触媒反応について検討した。この反応障壁が低いと新型コロナウィルスの増殖を阻止することができ、効果的な薬剤候補となりうる。
具体的には、初年度である本年度は MPro と N3 の複合体について力場計算により反応物としての構造の生成を行うことに成功し、反応経路最適化手法の一つである Nudged Elastic Band 法を用いて酵素反応の自由エネルギー面上における反応経路の最適化に成功した。得られた反応経路にそって自由エネルギープロファイルも同時に得ることができたことから、本反応に及ぼす酵素反応場を構築する要素である Mpro を構成する各アミノ酸からの自由エネルギーへの寄与を独自に開発した自由エネルギー寄与分割を用いて解明する研究にも着手した。通常、QM/MM 法を用いた自由エネルギー反応経路の最適化は、QM 領域の計算レベルを下げることで実行している。一方、我々の CDRK 法という手法を用いると高い信頼性を保ちつつ高速に QM/MM 法を実行することが可能となるため、信頼性が高い結果を得ることができる点が特徴の一つである。
新型コロナウィルスは世界的なパンデミックを引き起こしたことから、すでにいくつかの反応経路の最適化に関わる先行研究が報告されている。これらは信頼性が低い計算レベルを用いていることから、周辺の水分子の介在が必要であるか否か、反応の中間状態が存在するか否かについて異なった結果と解釈がなされてきた。本研究の結果、反応は水分子が介在することなく進行し、かつ中間状態が存在することを明確に示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究の期間内には 1. 共有結合形成反応のメカニズム解明と重要なアミノ酸残基の特定、2. 基質結合ポケット内の自由エネルギー寄与マップの作成、3. 効率的な基質分子設計法の確立、の三点について明らかにすることを計画している。これらを 3 年間の研究計画で達成することを予定していたことから、反応のメカニズムを解明し自由エネルギー寄与解析までを行った進捗状況は、当初の目標である 1 の目的の達成を意味している。また、自由エネルギー寄与解析の結果を周辺 3 次元空間内に球表示を活用して表示する技術を確立するとともに、視覚的に阻害反応がどのように自由エネルギー反応障壁に影響しているかを明示することに成功した成果は、上記の 2 の研究計画が一部達成したことを示している。以上の点で、当初の計画を上回るペースで研究が進展していると自己評価するに至った。
また、海外で開催された国際会議に 2 件の招待講演を受けて発表し、そのうちの一件についてはプロシーディングスではあるものの、反応メカニズムについての成果を査読付き論文に投稿して受理されてきた。新型コロナウィルスのパンデミックは収束してきつつあるものの、本研究課題に関する手法とノウハウは、抗生物質が効かなくなったスーパー耐性菌の反応機構解明や新規抗生物質の設計にも発展可能であることから、本研究で得られた成果を国際学会で発表し、学術論文として投稿することで初年度の段階で海外に発信できた点は高い評価につながった。
初年度に研究が効率的に進行するための計算機を自作導入したことで、計画を上回るペースで結果につながったといえる。今後の発展に向けた研究推進基盤も整備できた点は評価に値する。研究体制の早期の確立は、今後の研究においても重要な要素であるといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
達成すべき目標は、酵素内の反応障壁を自在に制御するための薬剤分子設計手法の確立である。本研究では MPro と N3 分子の反応における自由エネルギー障壁を低下させるための分子設計手法の確立を目指しているが、すでに反応経路の最適化と N3 分子における自由エネルギー障壁の解析、周辺アミノ酸残基からの寄与解析までを達成した。一方、分子設計指針を得るには、反応場をつくる酵素の他に、基質自身からくる反応への寄与も解明する必要がある。
酵素内の反応において検討が必要なのは、1. 酵素反応場による基質の反応自由エネルギー障壁への寄与、2. 基質分子内置換基が活性中心に及ぼす影響、の 2 点である。特に MPro や院内感染菌の産生する酵素を研究する場合には、酵素分子の構造を変更することができないため、基質分子に置換基を導入することで酵素反応場を強めたり弱めたりする制御を目指す。また、基質内の置換基の直接の効果は酵素との結合による幾何学的制限を強く受けているので、この構造制限の下での検討が必要である。
反応場への主たる寄与は、遠距離力で支配的となる静電相互作用からくるため、基質への置換基導入による原子電荷の変化や分子の双極子モーメントの変化を高速に予測しつつ分子設計することが最善の施策であると考えている。原子電荷や双極子モーメントは量子化学計算を行うことで得ることができるものの、分子設計において膨大な数の分子の計算を行うことは計算資源の点で現実的ではない。そこで、機械学習と分子生成アルゴリズムの融合技術を確立することで、分子設計の実現にむけた研究を推進する方策を検討している。
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Report
(1 results)
Research Products
(21 results)
