2016 Fiscal Year Research-status Report
バイオルミネッセンスの色決定機構における化学反応ダイナミックス
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15K05379
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
樋山 みやび 東京大学, 物性研究所, 特任研究員 (90399311)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | オキシルシフェリン / 水和 / ホタル生物発光 / 量子化学計算 / 分子動力学計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成27年度に実施したホタル生物発光の発光体であるオキシルシフェリンの振電相互作用の理論研究では、ケト型アニオンは0-0’バンドが強いため鋭いスペクトル形状になり、この点だけが実験結果と異なり、理論計算における水和の扱いは非常に難しいことが明確になった。しかし、生物発光でのタンパク質酵素は水溶液中で働くことから、まず水和の問題を解決する必要がある。そこで平成28年度は、水分子を露に含むケト型とエノール型のオキシルシフェリンの第一原理分子動力学計算を実施することにより、これまでよりも水素結合相互作用を高精度に取り入れる計算を行った。その結果、水和によりケト型がエノール型に比べて不安定化する原因は、ケト型アニオンの疎水的な水和構造にあることを突き止めた。次の段階として、第一原理分子動力学計算から得られた分子構造を利用した吸収スペクトルの計算を開始した。さらにタンパク質の構造情報を得るため、ゲンジボタルルシフェラーゼと水溶媒の古典分子動力学計算を行った。日本蛋白質データバンクで公開されているゲンジボタルルシフェラーゼX線結晶構造の変異体部分のアミノ酸殘基を実際のアミノ酸殘基に置き換え、実際のゲンジボタルルシフェラーゼの構造を作成し、初期値とした。このタンパク質酵素が働くpH 7付近ではプロトン脱離した共役塩基の存在するため、発光反応に関与する中間体や発光体については複数の候補があり、pHに応じて反応経路が異なる可能性があることがわかった。そこで、自由エネルギー計算を行うことにより、pH7-9における反応経路の計算を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
オキシルシフェリンについて水和によりケト型がエノール型に比べて不安定化する原因が、ケト型アニオンの疎水的な水和構造にあることを突き止めた。これらの結果についてまとめて、投稿論文としてJ. Phys. Bで発表することができた。さらに、国際会議19th International Symposium on Bioluminescence and Chemiluminescenceでの招待講演を含む学会発表5件を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
水分子をあらわに含むケト型とエノール型のオキシルシフェリンの分子動力学計算を行い、得られる構造データを用いて吸収スペクトルを計算すれば、ケト型オキシルシフェリンに特異な溶媒効果が明らかになると考えられる。同時にこれらの結果は、ホタル生物発光研究に重要な情報となる。そこで、第一原理分子動力学計算から得られた分子構造を利用して、吸収スペクトルの計算を行う。連続誘電体モデルを用いた結果および実験スペクトルと比較することにより、スペクトルにおける溶媒効果を調べる。また、これまでの結果から解明されたように、ホタル生物発光の基質であるルシフェリンと発光体であるオキシルシフェリンの分子構造は、溶媒のpHに依存して変化するので、発光反応に関与する中間体も溶媒のpHに依存して構造が変化すると考えられる。そこで、タンパク質の働くpH領域における、ルシフェリル-アデノシン一リン酸中間体とジオキセタン中間体の分子構造を理論計算により明らかにする。また、古典分子動力学計算から得られたゲンジボタルルシフェラーゼの構造を利用して、発光エネルギーを理論的に調べる。
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| Causes of Carryover |
分子動力学計算から吸収スペクトルを見積もるためには、一つの化学種に対して1000個の構造に対する励起状態計算が必要になる。また、ルシフェリル-アデノシン一リン酸中間体はこれまで扱った分子よりも原子数が多く、計算時間がかかると予想される。そこでこれらの計算時間を見積もるため、基底関数と計算レベルを変えたテスト計算を行った。結合クラスター法を用いた高精度計算を実施したところ、時間制限のある物性研究所などの共同利用では対応できないほど長時間の計算が必要であることが明らかになった。これに対応する計算機の仕様を検討し直す必要があっため、予算の繰り越しで対応した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
高精度励起状態計算に対応した仕様の計算機の購入、研究成果発表・情報収集・研究打ち合わせの出張費、論文投稿費に使用する。
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Research Products
(6 results)
