Publicly Offered Research
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
生体内では種々の酵素反応によって化学エネルギーを力学エネルギーに（あるいは逆に）変換している。本研究領域の主眼とする発動分子の構成のためには、この酵素反応の速度を予測し制御する技術が必要となる。本研究では酵素に対して1残基変異を加えた際に、酵素の反応速度の変化を物理化学的原理に基づくシミュレーションにより予測する事を主眼とし、経験的原子価結合法と呼ばれる計算技法を基盤としたシミュレーション技法開発の研究を行う。
酵素等が司る生体内でのエネルギー変換機構において最も重要なプロセスは、電子移動に伴う化学結合の変化である。経験的原子価結合法(Empirical Valence Bond; EVB)は、低い計算コストで反応過程におけるエネルギー面や反応に伴う構造変化を見積もることができる手法である。EVB法は活性中心付近に変異を入れた際の酵素反応の活性予測が可能であるなど、特に酵素の改変や人工設計に威力を発揮することが期待される。しかしながら、現在のEVB法はその計算結果が初期構造に強く依存する問題があり、初期構造がX線結晶構造由来でない場合の計算が難しい問題があった。2020年度の本研究では、EVB法の初期構造依存の問題を緩和する手法の開発を行った。拡張アンサンブル法を用いてEVB法の計算中に多様な分子構造をサンプリングすることでこの問題を解決することを狙った。EVB法を代表的分子シミュレーションソフトウェアであるGROMACSに移植し、拡張アンサンブル法のパイプラインを組み合わせ、トリオース3リン酸異性化酵素をターゲットとして精度の改善を検証した。しかしながら、拡張アンサンブル法を組み合わせた計算では、計算精度がむしろ悪化する傾向が見られた。調査の結果、現在のEVB法で用いられる力場関数が最安定構造の反応前後の構造変化だけを考慮して作られており、たとえば活性中心の原子が離れた時などの多様な構造をカバーしきれていないことが分かった。すなわち、本研究で目論んだ多様な構造のサンプリングによる精度の向上は、現在のEVB法のポテンシャルの設計のもとでは逆効果であり、問題の解決には例えばポテンシャル関数の再設計といった改善が必要である。一方で、当初の目的であった「信頼性の低い構造を元にしたEVB」の高精度化のためには、反応中心のモデリングに注力し、周辺の結晶水の配置と水素結合ネットワークを再現するだけで充分な精度が得られることが分かった。
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
All 2021 2020 2019 Other
All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 1 results, Open Access: 3 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)
bioRxiv
Volume: -
10.1101/2021.02.24.432807
chemrxiv
10.26434/chemrxiv.13602731.v1
Journal of Chemical Theory and Computation
Volume: 16 Issue: 9 Pages: 5923-5935
10.1021/acs.jctc.0c00270
