2020 Fiscal Year Annual Research Report
Informational thermodynamics of biomolecular crowding systems in water
| Project Area | Chemical Approaches for Miscellaneous / Crowding Live Systems |
|---|
| Project/Area Number |
17H06353
|
|---|
| Research Institution | Kobe University |
|---|
Principal Investigator |
田中 成典 神戸大学, システム情報学研究科, 教授 (10379480)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2022-03-31
|
| Keywords | 細胞内分子夾雑 / タンパク質多量体 / 分子動力学法 / 解離会合過程 / モンテカルロ法 / 温度緩和 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
リボソームなどの生体分子の多量体複合体は細胞内生化学反応の物理化学的実体であり、サブ複合体の分布および形成順序の解明は機能発現メカニズムの理解に直結する。近年では、質量分析法や多タンパク質ドッキングシミュレーションが多量体複合体形成の主要な研究手法として広く用いられている。さらに、自由エネルギー計算などの理論解析を行えば、より詳細な形成過程の物理化学性質を明らかにできる。しかし、質量分析法等では、ATPなどの共溶質分子や結合していないタンパク質の配置を原子レベルで余さずに観測することはできないため、そのまま上記のような解析に進むことはできない。そこで、混合モンテカルロ/分子動力学（hMC/MD）法を基に、実験観測と整合する解離経路を与え、系中の完全な原子座標情報を取得する方法の開発を試みた。そしてhMC/MD法を用いて、質量分析法のベンチマークとして広く用いられている血清アミロイドPタンパク質5量体を複数回シミュレートした。まず、いずれの場合も100ns以内に5量体が単量体5分子に解離することを観測した。次に、このシミュレーションで進行する解離過程に注目したところ、二つのサブ複合体形成過程（4量体と3量体）を観測できた。これは質量分析法に基づき推定された解離経路と整合する結果である。さらに解離過程の分子運動トラジェクトリーを解析したところ、新たなプレ解離過程（開環）を見出すことができた。開環過程の自由エネルギープロファイルを計算から見積もった反応時間は数時間程度であることから、この過程の有無を原子間力顕微鏡などで検証することは可能と考える。以上の成果から、hMC/MDシミュレーションは多タンパク質ドッキングシミュレーションと質量分析法を補完する、第三の多量体複合体の物理化学メカニズムの解析手法になりうると期待できる。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
細胞内夾雑環境下での生体分子多量体複合体の解離過程を効率的かつ正確にシミュレーションできる手法である混合モンテカルロ分子動力学（hybrid Monte Carlo/Molecular dynamics; hMC/MD）法が開発できたことで、細胞生物学上重要な様々な生体分子複合体解離過程が原子レベルで理論解析できるようになり、本プロジェクト研究の加速が期待される。
|
| Strategy for Future Research Activity |
上で述べたように、混合モンテカルロ分子動力学法を活用した生体分子多量体複合体の解離過程の計算機シミュレーションを進める。加えて、こういった生体高分子の会合・解離過程と加水分解などの化学反応が共役した際、化学反応で生成された自由エネルギーがどのように使われ、また熱としてどのように解放されていくかを微視的に検討するシミュレーションも行う。細胞内分子夾雑環境下における熱伝導・温度緩和の問題は本プロジェクトの重要課題の一つであり、引き続き様々なアプローチを用いて理論解析を行う。
|
