コイルドコイル内の反応空間制御による人工銅蛋白質の機能制御に向けた理論設計

• Project Area: Materials Design through Computics: Complex Correlation and Non-equilibrium Dynamics
• Project/Area Number: 25104717
• 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): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2014: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2013: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 人工蛋白質 / コイルドコイル / 密度汎関数法 / モデリング

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、(i)４本鎖コイルドコイル蛋白質への内部制御によるヘモシアニン様二核銅活性部位の導入を目指した理論モデリングと、(ii)人工蛋白質の理論設計に必要な蛋白質の基本ブロックであるαヘリックスやβシート形成に関わる相互作用の解明を実施した。
(i)に関しては、以前のパープル銅二核中心の導入の際にCysが重要な役割をした経験、タコヘモシアニンではCysが銅イオンの取り込みに寄与するという知見をもとに、まずヘモシアニンで銅イオンに配位するHisの近傍にCysをおき、取り込みを促進させる戦略をとった。実験による実証実験では、Cysがない場合では銅イオンが一個しか入らなかったが、Cysを導入することでICP測定により1.65等量の銅イオンが確認された。しかしながらこの人工蛋白質の理論モデリングでは、銅イオン間距離が約7オングストロームとかなり離れていた。そこでHisの位置をかえることにより、銅イオン間距離が約4オングストロームとデオキシ型に近いヘモシアニン様二核銅活性部位のモデリングができた。今後はこの理論モデリングに基づいた実験による実証を行っていく。
(ii)に関しては、昨年までの方法ではαヘリックス内の水素結合とβシート内の水素結合を同じ方法で定量化できていない。そこでMolecular Tailoring Approach(MTA)という解析法を使って定量化を試みた。結果、αヘリックスに比べてβシートの方が短く、相互作用の強い水素結合を与えることがわかった。これはβシートではβストランド同士がほぼ独立しているため、水素結合エネルギーが最大になるようにストランド同士が相互作用できるが、αヘリックスでは水素結合を形成するN-H基とC=O基が短い共有結合でつながっているおり、構造の制約のためであることが判明した。またβシートでも平行型より反平行型の方が水素結合が直線上にできやすいため安定化することも明らかとなった。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Mg2+-dependent interaction between ATP and the cystathionine-β-synthase (CBS) domains of ancient conserved domain protein/cyclin M (CNNM) (2014)
  • Author(s): Hirata, Yusuke; Funato, Yosuke; Takano, Yu; Miki, Hiroaki
  • Journal Title: J. Biol. Chem. Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fluctuation Flooding Method (FFM) for accelerating conformational transitions on proteins. (2014)
  • Author(s): Ryuhei Harada, Yu Takano, Yasuteru Shigeta
  • Journal Title: J. Chem. Phys. Volume: 140 Issue: 12 Pages: 125103-125103
  • DOI: 10.1063/1.4869594
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] H_20_2-dependent Substrate Oxidation by an Engineered Diiron Site in a Bacterial Hem erythrin (2014)
  • Author(s): Yasunori Okamoto, Akira Onoda, Himshi Sugimoto, Yu Takano, Shun Hirota, Donald M. Kurtz, Jr., Yoshitsugu Shiro, Takashi Hayashi
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 50 Issue: 26 Pages: 3421-3423
  • DOI: 10.1039/c3cc48108e
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Density functional study of the phosphodiester hydrolysis of RNA in RNA/DNA hybrid by RNase H (2014)
  • Author(s): Kita M, Nakamura H, Takano Y
  • Journal Title: Mol. Phys Volume: 112 Issue: 3-4 Pages: 355-364
  • DOI: 10.1080/00268976.2013.820854
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular Dynamics Simulations Accelerated by GPU for Biological Macromolecules with a Non-Ewald Scheme for Electrostatic Interactions (2013)
  • Author(s): Mashimo T, Fukunishi Y, Kamiya N, Takano Y, Fukuda I, Nakamura H
  • Journal Title: J. Chem. Theory Comput Volume: 9 Issue: 12 Pages: 5599-5609
  • DOI: 10.1021/ct400342e
  • NAID: 120005604144
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystal Structure, Exogenous Ligand Binding and Redox Properties of an Engineered Diiron Active Site in a Bacterial Hemeythrin (2013)
  • Author(s): Yasunori Okamoto, Akira Onoda, Hiroshi Sugimoto, Yu Takano, Shun Hirota, Donald M. Kurtz, Jr., Yoshitsugu Shiro, Takashi Hayashi
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 52 Issue: 22 Pages: 13014-13020
  • DOI: 10.1021/ic401632x
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantum chemical study of conformational preferences in intermediates and transition states of the hydrolysis of dimethyl phosphate (2013)
  • Author(s): Takano, Yu; Kita, Makoto; Nakamura, Haruki
  • Journal Title: J. Phys. Conf. Ser. Volume: 454 Pages: 12058-12058
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evaluations of the conformational search accuracy of CAMDAS using experimental three-dimensional structures of protein-ligand complexes (2013)
  • Author(s): Oda, Akifumi; Yamaotsu, Noriyuki; Hirono, Shuichi; Takano, Yu; Fukuyoshi Shuichi; Nakagaki, Ryoichi; Takahashi, Ohgi
  • Journal Title: J. Phys. Conf. Ser. Volume: 454 Pages: 12028-12028
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Theoretical analysis of molecular interactions in secondary structures of proteins (2014)
  • Author(s): 鷹野優・草鹿あゆみ・中村春木
  • Organizer: 第52回生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター
  • Year and Date: 2014-09-27
• [Presentation] 蛋白質の二次構造に関わる相互作用の理論解析 (2014)
  • Author(s): 鷹野優・草鹿あゆみ・中村春木
  • Organizer: 第8回分子科学討論会2014東広島
  • Place of Presentation: 広島大学東広島キャンパス
  • Year and Date: 2014-09-22
• [Presentation] 密度汎関数法による遷移金属蛋白質活性中心の構造・反応探索における問題ーチロシナーゼ活性中心モデルを例としてー (2014)
  • Author(s): 鷹野優
  • Organizer: 化学反応経路探索のニューフロンティア2014
  • Place of Presentation: 広島大学東広島キャンパス学士会館
  • Year and Date: 2014-09-20
  • Invited
• [Presentation] 蛋白質の二次構造形成に関わる相互作用に関する理論的研究 (2014)
  • Author(s): 鷹野優・中村春木
  • Organizer: 第14回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: ワークピア横浜／横浜産貿ホール マリネリア
  • Year and Date: 2014-06-26
  • Invited
• [Presentation] RNaseHIのRNA加水分解反応機構に関する計算科学的研究
  • Author(s): 鷹野優・喜多真琴・中村春木
  • Organizer: 第13回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: とりぎん文化会館
• [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
  • Author(s): 鷹野優・重田育照・中村春木
  • Organizer: 文部科学省科学研究費新学術領域「コンピューティクスによる物質デザイン：複合相関と非平衡ダイナミクス」平成25年度研究会
  • Place of Presentation: 東京大学武田ホール
• [Presentation] リボヌクレアーゼHIの RNA加水分解反応機構に関する計算化学的研究
  • Author(s): 鷹野優・喜多真琴・中村春木
  • Organizer: 第7回分子科学討論会2013京都
  • Place of Presentation: 京都テルサ
• [Presentation] Quantum chemical study of intra- and inter-molecular interactions in secondary structures
  • Author(s): 鷹野優・中村春木
  • Organizer: 第51回生物物理学会
  • Place of Presentation: 京都国際会議場
• [Presentation] ブルー銅蛋白質の活性中心の分子構造-電子構造相関の理論的研究
  • Author(s): 鷹野優・中村春木
  • Organizer: 錯体化学会第63回討論会
  • Place of Presentation: 琉球大学
• [Presentation] 金属タンパク質中の補欠分子の分子構造-電子構造-機能相関
  • Author(s): 鷹野優
  • Organizer: 第6回協定講座シンポジウム
  • Place of Presentation: 神戸大学統合研究拠点
  • Invited
• [Presentation] 二次構造形成に関する局所および非局所相互作用に関する計算化学的研究
  • Author(s): 鷹野優・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] 金属蛋白質中の補欠分子の電子構造の計算化学的研究
  • Author(s): 鷹野優
  • Organizer: 蛋白質研究所セミナー「結晶構造を併用したハイブリッド構造研究の最前線」
  • Place of Presentation: 大阪大学蛋白質研究所
  • Invited
• [Presentation] 蛋白質の二次構造形成に関わる相互作用に関する理論的研究
  • Author(s): 鷹野優・中村春木
  • Organizer: 文部科学省科学研究費新学術領域「コンピューティクスによる物質デザイン：複合相関と非平衡ダイナミクス」平成25年度第2回研究会
  • Place of Presentation: 東京大学 本郷キャンパス 工学部6号館
• [Presentation] 蛋白質中における金属補欠分子の電子構造制御に関する理論的研究
  • Author(s): 鷹野優
  • Organizer: 計算生命科学WG第3回講演会
  • Place of Presentation: 筑波大学計算科学研究センター
  • Invited
• [Presentation] Theoretical study of local- and nonlocal-molecular interactions in secondary structures
  • Author(s): u Takano, Haruki Nakamura
  • Organizer: 5th JCS (Japan, Czech, Slovakia) International Symposium on Theoretical Chemistry
  • Place of Presentation: Nara
  • Invited
• [Presentation] Density functional study of local and nonlocal molecular interactions in secondary structure
  • Author(s): Yu Takano, Haruki Nakamura
  • Organizer: 54th Sanibel Symposium
  • Place of Presentation: The King and Prince Golf & Beach Resort