理論計算によるコイルドコイルを用いた機能性遷移金属蛋白質の演繹的デザイン

• Project Area: Materials Design through Computics: Complex Correlation and Non-equilibrium Dynamics
• Project/Area Number: 23104506
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 鷹野 優 大阪大学, たんぱく質研究所, 助教 (30403017)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2012: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2011: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: コイルドコイル / 人工蛋白質 / 密度汎関数法 / 銅 / 構造機能相関 / 分子動力学法 / QM/MM計算

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、人工蛋白質の理論設計に必要と考えられる分子構造－電子構造－機能相関の解明に着手した。まずX線結晶構造からCu2S2コアの構造分布を調べたところ、銅-銅間距離が2.34～2.59オングストローム、S-S間距離が3.76～4.24オングストロームと多様な分布を示していた。そこで、その分子構造構造の多様性と電子構造の関係を、密度汎関数法を用いて調べた。モデルの作成には、様々な生物種のシトクロムc 酸化酵素、亜酸化窒素還元酵素で、解像度が2.0オングストローム以下の結晶構造データを用いた。モデルとしては、二核の銅イオンと架橋するシステインからできているcore modelと、CuA部位の第一配位圏までとりこんだligand modelを構築した。さまざまなCu-Cu間距離やS-S間距離を持つCuA部位のモデルに対して、電子伝達部位CuAの酸化還元電位と強く関わる物理量であるイオン化ポテンシャルを計算したところ、core modelに関しては銅-銅間距離依存性、S-S間距離依存性が確認された。またこれらの依存性は軌道相関図を用いて説明できることがわかった。一方ligand modelでは、イオン化ポテンシャルのCu-Cu間距離依存性がなくなってしまった。これは、イオン化ポテンシャルを決める軌道の軌道エネルギーを決定する要因が配位子（特にHis）とCuの相互作用によるためであると考えられる。
また4本鎖コイルドコイル蛋白質へのCuA（パープル銅）部位導入に成功し、その構造評価をおこなった。蛋白質溶液は濃紫色を呈し、分光学測定においてパープル銅サイトに特徴的なスペクトルが観測された。拡張X線吸収微細構造分析（EXAFS）および理論計算によるモデリングにより、既報のパープル銅サイトに酷似した構造が得られた。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Theoretical studies of effect of protein environment on electronic structures and chemical indices of the active site of oxygenated and deoxygenated hemerythrin (2013)
  • Author(s): Y. Takano, K. Yamaguchi, H. Nakamura
  • Journal Title: International Journal of Quantum Chemistry Volume: 113 Issue: 4 Pages: 497-503
  • DOI: 10.1002/qua.24107
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Computational study of conformational preferences in intermediates and transition states of the hydrolysis of dimethyl phosphate (2013)
  • Author(s): Y. Takano, M. Kita, H. Nakamura
  • Journal Title: IOP Journal of Physics: Conference Series Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Creation of a Binuclear Purple Copper Site within a de Novo Coiled-Coil Protein (2012)
  • Author(s): D. Shiga, Y. Funahashi, H. Masuda, A. Kikuchi, M. Noda, S. Uchiyama, K. Fukui, K. Kanaori, K. Tajima, Y. Takano, H. Nakamura, M. Kamei, T. Tanaka
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 51 Issue: 40 Pages: 7901-7907
  • DOI: 10.1021/bi3007884
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Density functional studies of the structural variety of the Cu2S2 core of the Cu-A site (2012)
  • Author(s): Y. Takano
  • Journal Title: International Journal of Quantum Chemistry Volume: 112 Issue: 24 Pages: 3756-3762
  • DOI: 10.1002/qua.24214
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electronic Structures of the Cu2S2 Core of the CuA Site in Cytochrome c Oxidase and Nitronous Oxide Reductase (2012)
  • Author(s): Y. Takano
  • Journal Title: International Journal of Quantum Chemistry Volume: 112 Issue: 1 Pages: 208-218
  • DOI: 10.1002/qua.23191
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Possible Mechanisms of Water Splitting Reaction Based on Proton and Electron Release Pathways Revealed for CaMn_4O_5 Cluster of PSII Refined to 1.9 Å X-Ray Resolution (2012)
  • Author(s): Toru Saito
  • Journal Title: International Journal of Quantum Chemistry Volume: 112 Issue: 1 Pages: 253-276
  • DOI: 10.1002/qua.23218
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Platypus-QM/MMの開発と応用 (2013)
  • Author(s): 鷹野優
  • Organizer: ISLiMソフトウェア研究開発報告会
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Invited
• [Presentation] 電子伝達部位CuAの分子構造－電子構造相関ー理論計算による機能性遷移金属蛋白質の演繹的デザインを目指してー (2013)
  • Author(s): 鷹野優
  • Organizer: 第42回三重大学CUTEセミナー
  • Place of Presentation: 三重大学
  • Invited
• [Presentation] 電子伝達部位CuAの分子構造－電子構造－機能相関 (2013)
  • Author(s): 鷹野優・奥山折緒・重田育照・中村春木
  • Organizer: スーパーコンピュータワークショップ2013
  • Place of Presentation: 自然科学研究機構 岡崎コンファレンスセンター
• [Presentation] 電子伝達に働くCuA部位の分子構造－電子構造相関の理論的研究 (2013)
  • Author(s): 鷹野優・奥山折緒・重田育照・中村春木
  • Organizer: 日本化学会第93回春季年会
  • Place of Presentation: 立命館大学
• [Presentation] Density functional study of the phosphodiester hydrolysis of RNA in RNA/DNA hybrid by RNase H (2013)
  • Author(s): Makoto Kita, Haruki Nakamura, Yu Takano
  • Organizer: 53th Sanibel Symposium
  • Place of Presentation: The King and Prince Golf Beach Resort, Georgia, USA
• [Presentation] シトクロムc酸化酵素にみられるCu_A部位の電子構造の配位子効果に関する理論的研究 (2012)
  • Author(s): 鷹野優, 奥山折緒, 重田育照, 中村春木
  • Organizer: 日本化学会第92回春期年会
  • Place of Presentation: 慶応義塾大学
  • Year and Date: 2012-03-27
• [Presentation] Density functional studies of the structural variety of the Cu_2S_2 core of the Cu_A site (2012)
  • Author(s): Yu Takano, Orio Okuyama, Yasuteru Shigeta, Haruki Nakamura
  • Organizer: 52th Sanibel Symposium
  • Place of Presentation: アメリカジョージア州
  • Year and Date: 2012-02-20
• [Presentation] シトクロムc酸化酵素中のCu_A部位の電子構造に関する理論的研究 (2012)
  • Author(s): 鷹野優, 奥山折緒, 重田育照, 中村春木
  • Organizer: スーパーコンピュータワークショップ2012「バイオサイエンスに対する計算分子科学からのアプローチ
  • Place of Presentation: 自然科学研究機構岡崎コンファレンスセンター
  • Year and Date: 2012-01-24
• [Presentation] 電子伝達に働くCuA部位の電子構造に関する理論的研究 (2012)
  • Author(s): 鷹野優・奥山折緒・重田育照・中村春木
  • Organizer: 第12回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場
• [Presentation] 電子伝達部位CuAの分子構造－電子構造相関の理論的研究 (2012)
  • Author(s): 鷹野優・奥山折緒・重田育照・中村春木
  • Organizer: 第6回分子科学討論会2012東京
  • Place of Presentation: 東京大学
• [Presentation] 電子伝達部位CuAの分子構造－電子構造相関 (2012)
  • Author(s): 鷹野優・奥山折緒・重田育照・中村春木
  • Organizer: 第62回錯体化学討論会
  • Place of Presentation: 富山大学
• [Presentation] 分子環境を記述するためのPCM（分極連続体モデル）の使い方と金属蛋白質活性中心への適用 (2012)
  • Author(s): 鷹野優
  • Organizer: 第13回大つくば物理化学セミナー
  • Place of Presentation: 城西大学鋸南セミナーハウス
  • Invited
• [Presentation] DFT studies of the structural variety of the Cu2S2 core of the CuA site (2012)
  • Author(s): Yu Takano, Orio Okuyama, Yasuteru Shigeta, Haruki Nakamura
  • Organizer: JST International Symposium on Multi-scale Simulation of Condensed-phase Reacting Systems (MSCRS2012)
  • Place of Presentation: Nagoya University
• [Presentation] Computational study of the relationship between the molecular and electronic structures of the CuA site (2012)
  • Author(s): Yu Takano, Orio Okuyama, Yasuteru Shigeta, Haruki Nakamura
  • Organizer: International Symposium on Computics: Quantum Simulation and Design (ISC-QSD)
  • Place of Presentation: Osaka University
• [Presentation] Density functional study of conformational preference of intermediates and transition states in the alkaline hydrolysis of dimethyl phosphate (2012)
  • Author(s): Yu Takano, Makoto Kita, Haruki Nakamura
  • Organizer: Conference on computational physics 2012
  • Place of Presentation: Nichii Gakkan
• [Presentation] パープル銅タンパク質のde novo設計 (2012)
  • Author(s): 龜井美里・志賀大悟・舩橋靖博・増田秀樹・野田勝紀・内山進・福井希一・田嶋邦彦・菊地晶裕・鷹野優・中村春木・田中俊樹
  • Organizer: 第12回蛋白質科学会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場
• [Presentation] 新規設計コイルドコイルタンパク質にヘモシアニン銅サイトを構築する試み (2012)
  • Author(s): 安部雅人・志賀大悟・鷹野優・中村春木・田中俊樹
  • Organizer: 第12回蛋白質科学会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場
• [Presentation] Coordination effects on the electronic structures of the Cu_A site in cytochrome c oxidase (2011)
  • Author(s): Yu Takano, Orio Okuyama, Yasuteru Shigeta, Haruki Nakamura
  • Organizer: 14th Asian Workshop on First-Principles Electronic Structure Calculations (ASIAN-14)
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Year and Date: 2011-10-31
• [Presentation] シトクロムc酸化酵素、亜酸化窒素還元酵素にみられるCu_A部位のCu_2S_2コアの電子構造の起源の理論的解明 (2011)
  • Author(s): 鷹野優, 重田育照, 奥山折緒, 小泉健一, 中村春木
  • Organizer: 分子科学討論会2011北海道
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター
  • Year and Date: 2011-09-20
• [Presentation] シトクロムc酸化酵素、亜酸化窒素還元酵素にみられるCuA部位のCu_2S_2コアの電子構造の起源の理論的解明 (2011)
  • Author(s): 鷹野優, 重田育照, 奥山折緒, 小泉健一, 中村春木
  • Organizer: 第61回錯体化学討論会
  • Place of Presentation: 岡山理科大学
  • Year and Date: 2011-09-18
• [Presentation] Computational study of electronic structures of a characteristic [4Fe-4S] cluster, [Fe_4S_4(SCH_3)_3(CH_3COO)], in dark-operative protochlorophyllide oxidoreductase (2011)
  • Author(s): Yu Takano, Yasushige Yonezawa, Yuichi Fujita, Genji Kurisu, Haruki Nakamura
  • Organizer: XVIth International Workshop on Quantum Systems in Chemistry and Physics
  • Place of Presentation: 石川県立美術館(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-15
• [Presentation] Origin of the variety of the Cu_2S_2 core of the Cu_A site (2011)
  • Author(s): Orio Okuyama, Yasuteru Shigeta, Haruki Nakamura, Yu Takano
  • Organizer: XVIth International Workshop on Quantum Systems in Chemistry and Physics
  • Place of Presentation: 石川県立美術館
  • Year and Date: 2011-09-12
• [Presentation] 光非依存型プロトクロロフィリド還元酵素中の[4Fe-4S]クラスターの電子構造の理論的研究 (2011)
  • Author(s): 鷹野優, 米澤康滋, 藤田祐一, 栗栖源嗣, 中村春木
  • Organizer: 第11回蛋白質科学会
  • Place of Presentation: ホテル阪急エキスポパーク(招待講演)
  • Year and Date: 2011-06-08
• [Book] Quantum Systems in Chemistry and Physics -Progress in Methods and Applications-, Progress in Theoretical Chemistry and Physics Vol. 26 (2013)
  • Author(s): Y. Takano, O. Okuyama, Y. Shigeta, H. Nakamura
  • Publisher: Density functional study of the origin of the strongly delocalized electronic structure of the CuA site in cytochrome c oxidase