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Computational study on the secondary structure dependence of the interaction in protein tertiary structure formation and the development of a new force field

Research Project

Project/Area Number 22K06164
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 43040:Biophysics-related
Research InstitutionHiroshima City University

Principal Investigator

鷹野 優  広島市立大学, 情報科学研究科, 教授 (30403017)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 近藤 寛子  北見工業大学, 工学部, 助教 (60700028)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2025: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Keywords水素結合 / 二次構造 / 分子力場 / 蛋白質 / 分子動力学シミュレーション / 量子化学計算
Outline of Research at the Start

蛋白質の機能発現機構の理解には分子動力学(MD)シミュレーションは有効な手段である。しかし、「MDシミュレーションで必須となる力場として高精度のものがない」、という問題点が残っている。
そこで、本申請では、我々が明らかにした「アミノ酸主鎖の水素結合エネルギーには高次構造依存性がある」という現象にもとづき、高精度のQM計算によって蛋白質構造形成相互作用における高次構造依存性を明らかにし、そのような高次構造依存性を取り入れた新規な分子力場を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

蛋白質の高次構造に依存する新規な力場関数とそのパラメータを開発するために、代表的な二次構造について水素結合エネルギーを量子化学計算とNegative Fragmentation Approach (NFA)を組み合わせて計算し、古典力場との比較を行った。2023年度は、側鎖の影響を調べるために、Glyをもとにしたモデルを作成し、αヘリックス、3_10ヘリックス、πヘリックス中の水素結合をNFAにより計算し、Alaの結果と比較した。その結果、Glyの場合も、水素結合を形成するペプチド結合のみで構成されるミニマルモデルでは水素結合エネルギーは分子力場のものとほぼ同じになるが、隣接するペプチド結合を含むモデルでは水素結合エネルギーが小さくなることから、隣接するカルボニル基およびアミノ基の影響よりペプチド結合が脱分極し、水素結合が不安定化されることが示唆された。またその脱分極効果の定量性についてはAlaと同程度の影響であることが明らかとなった。Glyの3_10ヘリックスについて、Alaの3_10ヘリックスと同様、末端から2つ目の水素結合ペアで水素結合が大きく不安定化されていた。この傾向に関する違いは、ヘリックス構造の違いにより隣接するカルボニル基およびアミノ基との相対配置が異なること、より遠方のペプチド結合による間接的な効果があることが明らかとなった、一方で、3_10ヘリックスについては上記の通り同様の効果があらわれたものの、その定量性に違いがあった。今後詳細な解析を行いその原因を明らかにする。また、以上の結果を加えて、近距離の相互作用の影響を原子の電荷を反映させることで量子化学計算の結果を再現できることがわかってきた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

二次構造形成において重要である水素結合エネルギーの二次構造依存性に関して、ヘリックス中の水素結合への側鎖の影響についても検討し、Glyに関してはAlaと同様の結果を得られ、側鎖の影響は小さいことが期待されることが明らかとなった。現在提案している分子力場を改良する方法では、近傍のペプチド結合(主鎖)の影響を原子電荷に反映させるが、側鎖の影響が小さいことが期待できることから、現方針で進めることの妥当性が強められたので、おおむね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

今後は、Alaの3_10ヘリックスで見られたより遠方のペプチド結合の効果については、Glyの3_10ヘリックスでも同様の効果があらわれたものの、その定量性に違いがあった。定量性の違いを明らかにするためより詳細な解析を進める。また、他の側鎖についても同様の方法で水素結合エネルギーの評価を行い、結果を分子力場開発につなげる。分子力場開発に関しても近距離の相互作用に基づき原子電荷を変化させる方法を分子動力学プログラムに実装していく。さらには、本計画を通じて開発したNFAはタンパク質中の水素結合でだけでなく、タンパク質リガンド相互作用における各アミノ酸残基の影響の定量化など、より広範な応用先があると考え拡張をしていく。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (18 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (11 results) (of which Peer Reviewed: 11 results,  Open Access: 11 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] C?H bond dissociation enthalpy prediction with machine learning reinforced semi-empirical quantum mechanical calculations2024

    • Author(s)
      Kaneko Miki、Takano Yu、Saito Toru
    • Journal Title

      Chemistry Letters

      Volume: 53 Issue: 2

    • DOI

      10.1093/chemle/upae016

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Random Forest Classifier of Heme Proteins Using Porphyrin Distortions and Axial Ligands of Heme2023

    • Author(s)
      Fujikawa Hinako、Kondo Hiroko X.、Kanematsu Yusuke、Takano Yu
    • Journal Title

      Chemistry Letters

      Volume: 52 Issue: 6 Pages: 503-507

    • DOI

      10.1246/cl.230150

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Semi-empirical and machine learning-based prediction of site of metabolisms mediated by aldehyde oxidase2023

    • Author(s)
      Shiotake Yuto、Takano Yu、Saito Toru
    • Journal Title

      Chemical Physics Letters

      Volume: 833 Pages: 140942-140942

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2023.140942

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Computational Exploration of Minimum Energy Reaction Pathway of N2O Formation from Intermediate I of P450nor Using an Active Center Model2023

    • Author(s)
      Kanematsu Yusuke、Kondo Hiroko X.、Takano Yu
    • Journal Title

      International Journal of Molecular Sciences

      Volume: 24 Issue: 24 Pages: 17172-17172

    • DOI

      10.3390/ijms242417172

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      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Prediction of Protein Function from Tertiary Structure of the Active Site in Heme Proteins by Convolutional Neural Network2023

    • Author(s)
      Kondo Hiroko X.、Iizuka Hiroyuki、Masumoto Gen、Kabaya Yuichi、Kanematsu Yusuke、Takano Yu
    • Journal Title

      Biomolecules

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 137-137

    • DOI

      10.3390/biom13010137

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Negative fragmentation approach for investigating the depolarization effect of neighboring residues on hydrogen bonds in π-helix2023

    • Author(s)
      Kondo Hiroko X.、Nakamura Haruki、Takano Yu
    • Journal Title

      Chemical Physics Letters

      Volume: 815 Pages: 140361-140361

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2023.140361

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      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Depolarizing Effects in Hydrogen Bond Energy in 310-Helices Revealed by Quantum Chemical Analysis2022

    • Author(s)
      Kondo Hiroko X.、Nakamura Haruki、Takano Yu
    • Journal Title

      International Journal of Molecular Sciences

      Volume: 23 Issue: 16 Pages: 9032-9032

    • DOI

      10.3390/ijms23169032

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Elucidation of the Correlation between Heme Distortion and Tertiary Structure of the Heme-Binding Pocket Using a Convolutional Neural Network2022

    • Author(s)
      Kondo Hiroko X.、Iizuka Hiroyuki、Masumoto Gen、Kabaya Yuichi、Kanematsu Yusuke、Takano Yu
    • Journal Title

      Biomolecules

      Volume: 12 Issue: 9 Pages: 1172-1172

    • DOI

      10.3390/biom12091172

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      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Conformational Preference of Flavonols and Its Effect on the Chemical Properties Involved in Radical Scavenging Activity2022

    • Author(s)
      Kondo Hiroko X.、Takano Yu
    • Journal Title

      Chemistry

      Volume: 4 Issue: 4 Pages: 1123-1135

    • DOI

      10.3390/chemistry4040076

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Effects of Active-Center Reduction of Plant-Type Ferredoxin on Its Structure and Dynamics: Computational Analysis Using Molecular Dynamics Simulations2022

    • Author(s)
      Nakayoshi Tomoki、Ohnishi Yusuke、Tanaka Hideaki、Kurisu Genji、Kondo Hiroko X.、Takano Yu
    • Journal Title

      International Journal of Molecular Sciences

      Volume: 23 Issue: 24 Pages: 15913-15913

    • DOI

      10.3390/ijms232415913

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Quantum chemical studies on hydrogen bonds in helical secondary structures2022

    • Author(s)
      Takano Yu、Kondo Hiroko X.、Nakamura Haruki
    • Journal Title

      Biophysical Reviews

      Volume: 14 Issue: 6 Pages: 1369-1378

    • DOI

      10.1007/s12551-022-01034-5

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] ヒスチジン二残基を軸配位子とするヘムbの分子力場パラメータの決定と検証2023

    • Author(s)
      仲吉朝希・近藤寛子・酒井友紀菜・兼松佑典・新井博文・鷹野優
    • Organizer
      第51回構造活性相関シンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 近藤寛子・飯塚博幸・舛本現・兼松佑典・鷹野優2023

    • Author(s)
      Analysis of structure-function correlation in the active sites of heme proteins
    • Organizer
      第61回日本生物物理学会年会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Yu Takano, Tomoki Nakayoshi, Yusuke Onishi, Hideaki Tanaka, Genji Kurisu2023

    • Author(s)
      Effects of Reduction of a Plant-Type Ferredoxin [2Fe-2S] Active Center on Its Structure and Dynamics with Molecular Dynamics Simulations
    • Organizer
      International Congress on Pure & Applied Chemistry Bali 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Yusuke Kanematsu, Hiroko X. Kondo, Yu Takano2023

    • Author(s)
      Quantum Chemical and Statistical Analysis of Hemeproteins
    • Organizer
      International Congress on Pure & Applied Chemistry Bali 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Yu Takano, Hinako Fujikawa, Yusuke Kanematsu, Hiroko X. Kondo2023

    • Author(s)
      Prediction of Heme Protein Function with Random Forest Classifier Based on Porphyrin Distortions and Axial Ligands of Heme
    • Organizer
      The 5th Conference of Theory and Applications of Computational Chemistry
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Tomoki Nakayoshi, Yusuke Onishi, Hideaki Tanaka, Genji Kurisu, Yu Takano2023

    • Author(s)
      Structural Analysis of the Oxidized and Reduced Plant-Type Ferredoxin Using Long-Time Molecular Dynamics Simulations
    • Organizer
      34th IUPAP Conference on Computational Physics
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Depolarizing effects in hydrogen bond energy in 310-helices revealed by quantum chemical analysis2022

    • Author(s)
      Yu Takano, Hiroko X. Kondo, Haruki Nakamura
    • Organizer
      International Congress on Pure & Applied Chemistry Yangon (ICPAC Kota Kinabalu) 2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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