タンパク質機能におけるｐＫａ制御の分子機構

• Project Area: Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions
• Project/Area Number: 23107717
• 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: Kyoto University
• Principal Investigator: 林 重彦 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (70402758)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2012: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2011: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: pKa 計算 / QM/MM 法 / 分子動力学法 / リゾチーム / 緑色蛍光タンパク質 / pKa計算 / QM/MM / バクテリオロドプシン / タンパク質膜挿入

Outline of Annual Research Achievements

1. 非経験的 pKa 計算法の開発：　高精度の QM/MM 相互作用の記述を達成するために、これまでの点電荷相互作用演算子を拡張し、多極子相互作用演算子を開発した。多極子は双極子及び四重極子まで取り入れて、水素結合の記述の改善を計った。また、近距離での遮蔽効果を取り込むために、近距離減衰関数を導入した。この関数系を用いて、様々な分子に対して電子密度による静電ポテンシャルや水中での水の動径分布関数の再現性を検討し、非常に良く再現できることを確認した。特に、アンモニアについては、遮蔽効果のみならず、多極子効果が水の動径分布関数の再現に必須であることが明らかになった。更に、この多極子相互作用演算子を QM/MM RWFE-SCF 法に導入し、精度の良い自由エネルギー構造最適化を開発した。その結果、水素結合などの指向性の高い配位による溶媒和構造を正確に記述することに成功した。また、本手法をタンパク質の pKa 計算に用いるため、リゾチームを対象とし、特異的な pKa を示すカルボン酸の自由エネルギー構造最適化を行った。

2. 緑色蛍光タンパク質（GFP） の蛍光スペクトルと発色団の pKa の解析：　GFP の光吸収及び蛍光スペクトルの不均一拡がりを QM/MM RWFE-SCF 法を用いて計算した。蛍光スペクトルの不均一拡がりの計算は、電子励起状態におけるタンパク質の構造サンプリングが必要なため、これまでのアプローチでは困難であったが、QM/MM RWFE-SCF 法で励起状態での自由エネルギー最適構造を決定し、最適構造でのタンパク質の揺らぎと振動構造からの寄与を計算することにより、高精度な計算が可能となった。この際、タンパク質の揺らぎに応答する電子状態の変化も、線形近似により考慮した。その結果、光吸収と蛍光スペクトルの拡がり幅の顕著な違いの分子起源を明らかにすることに成功した。

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] The reaction mechanism of Claisen rearrangement obtained by transition state spectroscopy and single direct-dynamics trajectory (2013)
  • Author(s): Izumi Iwakura, Yu Kaneko, Shigehiko Hayashi, Atsushi Yabushita, and Takayoshi Kobayashi
  • Journal Title: Molecules Volume: 18 Issue: 2 Pages: 1995-2004
  • DOI: 10.3390/molecules18021995
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural and Spectral Characterization of C1C2 Channelrhodopsin and its Mutants by Molecular Simulations (2013)
  • Author(s): Motoshi Kamiya, Hideaki E. Kato, Ryuichiro Ishitani, Osamu Nureki, Shigehiko Hayashi
  • Journal Title: Chemical Physics Letters Volume: 556 Pages: 266-271
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2012.11.066
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular Mechanism of ATP Hydrolysis in F_1-ATPase Revealed by Molecular Simulations and Single-Molecule Observations (2012)
  • Author(s): Shigehiko Hayashi, Hiroshi Ueno, Abdul Rajjak Shaikh, Myco Umemura, Motoshi Kamiya, Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi, Yoshihiro Momoriya, Ryota Iino, Hiroyuki Noji
  • Journal Title: Journal of American Chemical Society Volume: 134 Issue: 20 Pages: 8447-8454
  • DOI: 10.1021/ja211027m
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crucial role of protein flexibility in formation of a stable reaction transition state in an alpha-amylase catalysis (2012)
  • Author(s): Takahiro Kosugi and Shigehiko Hayashi
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 134 Issue: 16 Pages: 7045-7055
  • DOI: 10.1021/ja212117m
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystal structure of the channelrhodopsin light-gated cation channel (2012)
  • Author(s): Hideaki E.Kato, Feng Zhang, Ofer Yizhar, Charu Ramakrishnan, Tomohiro Nishizawa, Kunio Hirata, Jumpei Ito, Yusuke Aita, Tomoya Tsukazaki, Shigehiko Hayashi, Peter Hegemann, Andres D.Maturana, Ryuichiro Ishitani, Karl Deisseroth, Osamu Nureki
  • Journal Title: Nature Volume: 482 Issue: 7385 Pages: 369-374
  • DOI: 10.1038/nature10870
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] QM/MM reweighting free energy SCF for geometry optimization on extensive free energy surface of enzymatic reaction (2012)
  • Author(s): Takahiro Kosugi, Shigehiko Hayashi
  • Journal Title: Journal of Chemical Theory and Computation Volume: 8 Issue: 1 Pages: 322-334
  • DOI: 10.1021/ct2005837
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A theoretical study on excited state double proton transfer reaction of a 7-azaindole dimer: an ab initio potential energy surface and its empirical valence bond model (2011)
  • Author(s): K. Ando, S. Hayashi, S. Kato
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 13 Issue: 23 Pages: 11118-11127
  • DOI: 10.1039/c1cp20420c
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 分子シミュレーションから見た酵素の活性と柔らかさ (2013)
  • Author(s): 林重彦
  • Organizer: 日本化学会第 93 春季年会中長期テーマシンポジウム「複雑系 のための分子科学－複雑さと柔らかさ」
  • Place of Presentation: 草津・滋賀
  • Year and Date: 2013-03-22
  • Invited
• [Presentation] Hybrid molecular simulations toward understanding enzymatic catalysis (2013)
  • Author(s): Shigehiko Hayashi
  • Organizer: Fifth Korea-Japan Seminars on Biomolecular Sciences: Experiments and Simulations
  • Place of Presentation: High 1 resort, Korea
  • Year and Date: 2013-02-24
  • Invited
• [Presentation] Hybrid molecular simulations toward understanding enzymatic catalysis (2012)
  • Author(s): Shigehiko Hayashi
  • Organizer: Fifth International Symposium on Atomically Controlled Fabrication Technology
  • Place of Presentation: 大阪
  • Year and Date: 2012-10-22
  • Invited
• [Presentation] 「理論解析」の観点から (2012)
  • Author(s): 林重彦
  • Organizer: 第4回光操作研究会「動作原理の理解と行動制御への応用」
  • Place of Presentation: 岡崎・愛知
  • Year and Date: 2012-09-27
  • Invited
• [Presentation] Hybrid molecular simulations toward understanding enzymatic catalysis (2012)
  • Author(s): Shigehiko Hayashi
  • Organizer: 14th International Congress of Quantum Chemistry
  • Place of Presentation: Boulder, USA
  • Year and Date: 2012-06-25
  • Invited
• [Presentation] ハイブリッド分子シミュレーションで探る酵素活性の分子機構 (2012)
  • Author(s): 林重彦
  • Organizer: WIAS Top Runners’ Lecture Collection of Science「物質化学 におけるコンピュータ利用の最前線」
  • Place of Presentation: 早稲田・東京
  • Invited
• [Presentation] ハイブリッド分子シミュレーションで探る酵素活性の分子機構 (2011)
  • Author(s): 林重彦
  • Organizer: 大阪大学蛋白質研究所セミナー「蛋白質科学の未来を語る-実験・理論研究者の対話-」
  • Place of Presentation: 吹田(大阪)
  • Year and Date: 2011-11-21
• [Presentation] Molecular mechanism of enzymatic reaction studied by the QM/MM reweighting free energy SCF method (2011)
  • Author(s): Shigehiko Hayashi, Takahiro Kosugi
  • Organizer: 日本生物物理学会・シンポジウム"New approaches for probing biomolecular fluctuations"
  • Place of Presentation: 姫路(兵庫)
  • Year and Date: 2011-09-17
• [Presentation] Fukui International Symposium for Theoretical Chemistry (2011)
  • Author(s): Shigehiko Hayashi
  • Organizer: Fukui International Symposium for Theoretical Chemistry
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2011-09-01
• [Presentation] Hybrid molecular simulations toward understanding enzymatic catalysis (2011)
  • Author(s): Shigehiko Hayashi
  • Organizer: Telluride Science Research Center Workshop on "Rise of the Machines : Integration of experiment, simulation and theory for a mechanistic understanding of biomolecular machines"
  • Place of Presentation: Telluride (USA)
  • Year and Date: 2011-08-09
• [Presentation] Molecular mechanisms of enzymatic catalysis in F1-ATPase and a-amylase (2011)
  • Author(s): Shigehiko Hayashi
  • Organizer: WATOC 2011
  • Place of Presentation: Santiago de Compostela (Spain)
  • Year and Date: 2011-07-21
• [Presentation] Hybrid molecular simulations toward understanding enzymatic catalysis (2011)
  • Author(s): Shigehiko Hayashi
  • Organizer: 2011 Korea Japan Symposium on Molecular Science "New Visions for Spectroscopy & Computation : Temporal and Spatial Adventures of Molecular Science"
  • Place of Presentation: 釜山(韓国)
  • Year and Date: 2011-07-06
• [Book] 岩波講座計算科学第 4 巻 計算と生命, 第 3.3 章 (2012)
  • Author(s): 林重彦
  • Publisher: 岩波書店