キュミュラント粗視化動力学によるタンパク質動的秩序形成過程の理論研究

• Project Area: Dynamical ordering of biomolecular systems for creation of integrated functions
• Project/Area Number: 26102525
• 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: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 重田 育照 筑波大学, 数理物質系, 教授 (80376483)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2014: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: キュミュラント動力学 / タンパク質複合体 / 粗視化動力学 / タンパク質の折りたたみ

Outline of Annual Research Achievements

タンパク質複合体におけるタンパク質-タンパク質間相互作用の解析は、タンパク質の立体構造に基づくタンパク質機能の理解、および、高機能化のデザインをするうえで重要な研究である。X線構造は高精度ではあるが結晶という特殊な状態における静的な構造情報であり、NMR測定や一分子観測は溶液状態での動的な構造情報を提供するが、タンパク質サイズの限界および分解能の限界があることから、理論計算は実験と相補的な情報を与えうる。とくにタンパク質機能を知る上では、溶媒やタンパク質の運動をあらわに取り扱うゆらぎなどの効果を含む動的分子理論による現象の理解が必要となってきている。Shawらは専用計算機を作製し、ミリ秒でのタンパク質折り畳み機構の研究を行っているが[Shaw, Science330, 341(2010)]、本研究領域の目標となる動的秩序形成の時空間スケールでは、必ずしも有効な手段とはなり得ない。本研究では、キュミュラント動力学理論を主軸に、動的秩序の解析に対する理論基盤を提供することを目的としている。
本研究課題に対しては、まず、分子動力学計算に基づくタンパク質の折りたたみや誘導適合過程を解析する計算手法を確立した[Harada et al. JCP140, 125103およびBaba et al. JCC35, 1240]。その手法をT4リゾチームのドメイン運動に適用した所、従来の方法よりも高速に開構造と閉構造の間の反応経路を得ることが出来た。一旦経路が得られれば、アンブレラサンプリング法とweighted histogram analysis method（WHAM）により、自由エネルギー曲面を描くことが可能となる。ナイロンオリゴマー分解酵素の誘導適合過程は高々2kcal/molの反応障壁しか無いことも、本手法により明らかにした。

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] 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] Hydration effects on enzyme-substrate complex of nylon oligomer hydrolase: inter-fragment interaction energy study by the fragment molecular orbital method (2014)
  • Author(s): Hiroyuki Ando, Yasuteru Shigeta, Takeshi Baba, Chiduru Watanabe, Yoshio Okiyama, Yuji Mochizuki, Masayoshi Nakano
  • Journal Title: Mol. Phys. Volume: 113 Issue: 3-4 Pages: 319-326
  • DOI: 10.1080/00268976.2014.941311
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Nylon-Oligomer Hydrolase Promoting Cleavage Reactions in Unnatural Amide Compounds (2014)
  • Author(s): Katsumasa Kamiya, Takeshi Baba, Mauro Boero, Toru Matsui, Seiji Negoro, and Yasuteru Shigeta
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 5 Issue: 7 Pages: 1210-1216
  • DOI: 10.1021/jz500323y
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] On the induced-fitmechanism of substrate-enzyme binding structures of Nylon-oligomerhydrolase (2014)
  • Author(s): T. Baba, R. Harada, M. Nakano, Y. Shigeta
  • Journal Title: Journal of Computational Chemistry Volume: 35 Issue: 16 Pages: 1240-1247
  • DOI: 10.1002/jcc.23614
  • Peer Reviewed