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 2023)
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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 |
はじめに昨年度の研究成果を踏まえ、今年度は新型コロナウィルスが産生するメインプロテアーゼMProの反応における重要なアミノ酸残基を特定し、これらが反応自由エネルギー障壁に及ぼす影響を明らかにするための研究を行った。
具体的には、昨年度にMPro酵素の活性に重要な役割を果たすことが明らかとなった Arg40 や Asp188 アミノ酸残基からくる活性中心への外場の寄与を詳細に解析した。活性中心骨格の反応過程で示す構造変化で必要となるエネルギー自体が 10～20kcal/molと最も自由エネルギープロファイルに大きな影響を及ぼすものの、上記の1つのアミノ酸による外場からの影響も、5～10kcal/mol程度与えることを明らかにした。そこで、N3基質の分子構造に置換基導入を行うことで、これらの外場を基質自身の電場で制御できる方法を検討し、複数の導入置換基の候補を得ることに成功した。これにより、MPro酵素の反応自由エネルギー障壁を制御するための新たな設計指針を提案することができた。
一方で、反応の起こりやすさに関しては、Mpro酵素と基質分子との結合の自由エネルギーの大きさも重要になる。そこで、Poisson-Boltzmann法を組み合わせて基質のどの領域がMProとの結合に重要であるかを評価し、置換基導入の影響が結合の自由エネルギーを不利に働かせることがないようにするモデルを提案し、MPro酵素の反応速度を制御する新たな手法へと発展した。
以上の研究成果をまとめると、今年度は昨年度の研究成果を発展させ、MPro酵素の反応メカニズムにおける近接アミノ酸の重要性や新規な阻害剤の探索に関する研究を行った。これにより、MPro酵素を標的とした効果的な新薬の開発に向けた基盤を築くことができたといえる。
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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
今年度のもっとも主要な研究計画は、前年度の研究成果を踏まえてMPro酵素の中で反応に重要となる Arg40 や Asp188 アミノ酸残基の外場を制御するための基質の分子設計を行うことを目標としていた。この目標に沿って、候補となる置換基を複数得ることができた。この面では、研究計画における目標の達成度は高いと評価できる。
MPro酵素の反応メカニズムにおける架橋水分子の役割と新規な阻害剤の探索において、独自のCDRK法と自由エネルギー成分分割の計算手法が、定量的な置換基導入のエネルギー評価を可能にしたことを確認することができた。したがって、研究方法や手法の適切性は高いと評価できる。また、今年度の研究成果はMPro酵素を標的とした新薬の開発に向けた基盤を築くものであり、新型コロナウィルスなどの感染症に対する治療法の開発に寄与する可能性が高い。とくに研究成果の有用性や意義は強調すべき点である。
一方、研究過程での問題点として分子動力学シミュレーションの計算コストの高さに加え、実験的な検証が難しい点が挙げられる。実験家と共同研究を実施できれば、より実践的かつ効果的な阻害剤の開発に向けた研究にステップアップできる。これらの問題点や課題に対処するためは、協力体制を模索することが重要となる。
総合的には、本研究課題は目標に向けて順調に進展しており、研究成果の有用性や意義も高いと評価できる。しかし、研究過程にはいくつかの課題や問題点もあるので、引き続き目標の達成実現に向けて推進する必要があるといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究では、提案した基質分子とMPro酵素について、分子動力学シミュレーションを実行し、自由エネルギー成分分割から予測される自由エネルギー障壁の変化予測値を実際の分子シミュレーションから得られる自由エネルギープロファイルが満足しているかを確認し、成分分割による分子設計手法の有用性を検証する予定である。
提案した置換基導入による分子設計は、あくまでもN3分子とMPro酵素の間で得られた構造揺らぎに基づくものであり、実際の置換基導入をおこなった分子構造では揺らぎの効果で出現する構造については、変化が生じる可能性がある。
そこで、自由エネルギー成分分割から予測される自由エネルギー障壁の変化予測値を実際の分子シミュレーションから得られる自由エネルギープロファイルで満足しているかを確認しその有用性を検証する。この検証がうまくいけば、自由エネルギー成分分割により反応過程の理解や新規な阻害剤の設計に活用する道が確立できる。
可能であれば、置換基導入を含む分子設計に関しては機械学習を活用し、自在に目的の分子を提案できるシステムを構築したいと考えている。
これらの研究計画を実行することで、MPro酵素を標的とした新薬の開発に向けた基盤をより確立し、新型コロナウィルスなどの感染症に対する治療法の開発に貢献することを目指す。
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Report
(2 results)
Research Products
(43 results)
