生理活性分子の分子設計のための理論化学的研究

• Project Area: Chemical Biology using bioactive natural products as specific ligands: identification of molecular targets and regulation of bioactivity
• Project/Area Number: 24102520
• 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: Hiroshima University
• Principal Investigator: 相田 美砂子 広島大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (90175159)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2014-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2013: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2012: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: 生理活性 / 非経験的分子軌道法 / 水和 / モンテカルロ法 / 分子動力学法

Research Abstract

天然物リガンドに関しての構造や反応性等の情報を収集した。非常に多種類のものが存在するが、構造に関する分類として次の2種類に分けた。(1) 環境の変化により、構造があまり変化しないと予想されるもの、および、 (2) 環境により、構造が大きく変化することが予想されるものである。
トリメチルアミンオキシド（TMA）は、(1)の代表例である。この分子の電子構造および水和構造を明らかにするための計算を実行した。TMAは、浸透圧調整物質として良く知られているが、蛋白質のフォールディングに影響を与えることも知られている。TMAの構造が水和によってどのように変わるのか、またTMAがまわりの水分子にどのような影響を与えるのか、について、非経験的分子軌道法と分子力場法を組み合わせた計算を進めた。その結果、TMAの幾何学的構造は水和によってほとんど変化しないが、非常に特徴的な水和構造が形成されることが明らかとなった。TMAの影響により、直接水和している水分子だけでなく、そのまわりの水分子が特徴的な配向をする。これは、生理活性分子の作用機序に関して、新たな視点を提示するものである。
グルコース（α体とβ体）とマンノース（α体とβ体）は、(2)の代表例である。単糖には、分子内水素結合の仕方により、さまざまな安定構造がある。QM/MM計算を実行することにより、孤立状態においての安定な構造と、水溶液において見いだされる構造が異なることを見出した。水和の効果をPCM計算で見積もった場合には、そのような構造変化は表れない。グルコースとマンノースそれぞれのα体とβ体（アノマー）の水溶液中における安定性の違いをQM/MM計算により正しく予測することができた。

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] A new variant of multicanonical Monte Carlo algorithm with specifying the temperature range and its application to the hydration free energy change of fluorinated methane derivatives (2014)
  • Author(s): Hideo Doi, Misako Aida
  • Journal Title: Chemical Physics Letters Volume: 595-596 Pages: 55-60
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2014.01.044
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Influence of Trimethylamine N-oxide (TMAO) on Three-Dimensional Distribution and Alignment of Solvent Molecules in Aqueous Solution (2014)
  • Author(s): Hideo Doi, Yudai Watanabe, Misako Aida
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: in press Issue: 6 Pages: 865-867
  • DOI: 10.1246/cl.140043
  • NAID: 130004868157
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Macrodipole Moment of Polypeptides inβ-Sheet and Its Prediction from Dipole Moments of Amino Acid Residues as Building Blocks: Alanine and Glycine in β-Strand (2013)
  • Author(s): Shunsuke Mieda, Misako Aida
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 42 Issue: 5 Pages: 473-475
  • DOI: 10.1246/cl.130084
  • NAID: 10031167794
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ab Initio QM/MM-MC Study on Hydrogen Transfer of Glycine Tautomerization in Aqueous Solution: Helmholtz Energy Changes along Water-mediated and Direct Processes (2013)
  • Author(s): Hidenori Miyamoto, Misako Aida
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 42 Issue: 6 Pages: 598-600
  • DOI: 10.1246/cl.130126
  • NAID: 10031176020
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Helmholtz Energy Change between Neutral and Zwitterionic Forms of Glycine in Aqueous Solution Using Ab Initio Expanded QM/MM-MC with QM Solvent (2013)
  • Author(s): Hidenori Miyamoto, Misako Aida
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 42 Issue: 9 Pages: 1010-1012
  • DOI: 10.1246/cl.130412
  • NAID: 10031194323
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hydration of Adamantane Skeleton: Water Assembling around Amantadine and Halo-substituted Adamantanes (2013)
  • Author(s): Hideo Doi, Misako Aida
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 42 Issue: 3 Pages: 292-294
  • DOI: 10.1246/cl.2013.292
  • NAID: 10031155784
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dipole Moments of Amino Acid Residues, Gly and Ala, in α-Helix: Quantum Chemical Building Blocks for Macrodipole Moment of α-Helical Polypeptide (2012)
  • Author(s): Shunsuke Mieda, Misako Aida
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 41 Issue: 12 Pages: 1579-1580
  • DOI: 10.1246/cl.2012.1579
  • NAID: 130004426459
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Intra- and intermolecular interactions of α-, β-, γ-cyclodextrins: from the gas phase to aqueous solution (2014)
  • Author(s): Dai Akase, Misako Aida, Sotiris S. Xantheas
  • Organizer: Symposium on Molecular Science and Synthesis of Functional Molecules for Next Generation
  • Place of Presentation: Higashi-Hiroshima
• [Presentation] A Theoretical study of hydration effects on hexopyranoses (2014)
  • Author(s): Sakiko Idei, Misako Aida
  • Organizer: Symposium on Molecular Science and Synthesis of Functional Molecules for Next Generation
  • Place of Presentation: Higashi-Hiroshima
• [Presentation] 水溶液中におけるグルコピラノースおよびマンノピラノースのアノマー異性化 (2014)
  • Author(s): 小坂有史，出射早希子，勝本之晶，相田美砂子
  • Organizer: 日本化学会第94春季年会
  • Place of Presentation: 名古屋
• [Presentation] Graph representation of protonated water cluster and a comprehensive search of local minimum structures of protonated water octamer (2013)
  • Author(s): Dai Akase, Misako Aida, Hiroyuki Tramae
  • Organizer: The 10th Nano Bio Info Chemistry Symposium
  • Place of Presentation: Higashi-Hiroshima
• [Presentation] A theoretical study of hydration number of TMAO (2013)
  • Author(s): Yudai Watanabe, Hideo Doi, Misako Aida
  • Organizer: The 10th Nano Bio Info Chemistry Symposium
  • Place of Presentation: Higashi-Hiroshima
• [Presentation] Helmholtz Energy Change between Neutral and Zwitterionic Forms of Glycine in Aqueous Solution (2013)
  • Author(s): Misako Aida, Hidenori Miyamoto
  • Organizer: 5th JCS International Symposium on Theoretical Chemistry
  • Place of Presentation: Nara
  • Invited
• [Presentation] A theoretical study on hydration patterns of bioactive molecules (2013)
  • Author(s): Misako AIDA, Sakiko IDEI
  • Organizer: The 1st International Symposium on Chemical Biology of Natural Products: Target ID and Regulation of Bioactivity
  • Place of Presentation: Yokohama
• [Presentation] アダマンタンとアダマンタン置換体における水和のホルムヘルツエネルギー (2013)
  • Author(s): 土居英男，相田美砂子
  • Organizer: 2013年日本化学会中国四国支部大会
  • Place of Presentation: 東広島
• [Presentation] プロトン化水クラスターのグラフ表示と安定構造の網羅的探索 (2013)
  • Author(s): 赤瀬大，相田美砂子，寺前 裕之
  • Organizer: 第36回情報化学討論会
  • Place of Presentation: つくば
• [Presentation] ヘキソピラノースアノマーの水和による安定化エネルギーについての理論化学的研究 (2013)
  • Author(s): 出射早希子，相田美砂子
  • Organizer: 第7回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 京都
• [Presentation] 浸透圧調節物質の水和構造に関する理論化学研究 (2013)
  • Author(s): 相田 美砂子, 渡部 雄大，土居 英男
  • Organizer: 第4回ケミカルバイオロジー公開シンポジウム
  • Place of Presentation: つくば
• [Presentation] A theoretical study of structures and stabilities of hexopyranose anomers in vacuo and in aqueous solution (2012)
  • Author(s): Sakiko Idei, Misako Aida
  • Organizer: The 9th Nano Bio Info Chemistry Symposium
  • Place of Presentation: Hiroshima University, Higashi-Hiroshima Campus
  • Year and Date: 2012-12-08
• [Presentation] A theoretical study on TMAO hydration structure (2012)
  • Author(s): Yudai Watanabe, Hideo Doi, Misako Aida
  • Organizer: The 9th Nano Bio Info Chemistry Symposium
  • Place of Presentation: Hiroshima University, Higashi-Hiroshima Campus
  • Year and Date: 2012-12-08
• [Presentation] オスモライトの水和構造に関する理論化学的研究 (2012)
  • Author(s): 渡部 雄大、土居 英男、相田 美砂子
  • Organizer: 2012年 日本化学会西日本大会
  • Place of Presentation: 佐賀大学 本庄キャンパス
  • Year and Date: 2012-11-10
• [Presentation] QM/MM study on hydration energy of glucopyranose anomers (2012)
  • Author(s): Misako Aida, Sakiko Idei
  • Organizer: The 1st International Symposium on Chemical Biology of Natural Products: Target ID and Regulation of Bioactivity
  • Place of Presentation: Kyoto Century Hotel
  • Year and Date: 2012-10-31
• [Presentation] 気相中および水溶液におけるへキソピラノースアノマーの安定性についての理論化学的研究 (2012)
  • Author(s): 出射 早希子、相田 美砂子
  • Organizer: 第35回情報化学討論会
  • Place of Presentation: 広島大学 東広島キャンパス
  • Year and Date: 2012-10-04
• [Presentation] 核内受容体リガンド機能を有する天然物化合物についての計算化学からの検討 (2012)
  • Author(s): 杉本 廣之、吉田 智喜、相田 美砂子
  • Organizer: 第35回情報化学討論会
  • Place of Presentation: 広島大学 東広島キャンパス
  • Year and Date: 2012-10-04
• [Presentation] αヘリックスにおけるL-とD-アミノ酸残基の双極子モーメントに関する量子化学的研究 (2012)
  • Author(s): 三枝 俊亮、相田 美砂子
  • Organizer: 第6回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 東京大学 本郷キャンパス
  • Year and Date: 2012-09-18
• [Presentation] Dipole Moments of Amino Acid Residues in α-Helix (2012)
  • Author(s): Shunsuke Mieda, Misako Aida
  • Organizer: The XIVth International Congress of Quantum Chemistry
  • Place of Presentation: Boulder, Colorado (USA)
  • Year and Date: 2012-06-25
• [Presentation] 生理活性分子の分子設計のための理論化学的研究 (2012)
  • Author(s): 相田 美砂子
  • Organizer: 新学術領域研究「天然物ケミカルバイオロジー～分子標的と活性制御～」第2回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学弥生講堂
  • Year and Date: 2012-06-17
• [Remarks] AIDA group
  • URL: http://www.nabit.hiroshima-u.ac.jp/aida/
• [Remarks] AIDA group
  • URL: http://www.nabit.hiroshima-u.ac.jp/aida/