酵素特異反応における遷移状態支配因子の量子化学解明法の開発と反応経路制御への応用

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15KT0146
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 折本 裕一 九州大学, グリーンアジア国際リーダー教育センター, 助教 (00398108)
• Project Period (FY): 2015-07-10 – 2018-03-31
• Keywords: 酵素触媒反応 / 遷移状態 / 軌道間相互作用 / 振動解析 / 反応経路解析 / 電子状態計算 / スルースペース／ボンド相互作用 / オーダーN Elongation法

Outline of Annual Research Achievements

生命維持に関する化学反応は酵素の特異的な触媒作用により支えられ、その複雑な酵素反応の分子論的理解は、難病や未知の伝染病等に対抗するための重要な一歩である。本研究では、特異的酵素触媒作用について「軌道相互作用が引き起こす特異な遷移状態の安定化」という視点から、遷移状態の支配因子としての‘最重要’軌道相互作用を電子論レベルで特定、解明するための量子化学手法の構築を行い、病気の原因解明や創薬に貢献可能な理論手法の確立を目指している。
平成27年度はまず、本課題で目指す「酵素特異反応の遷移状態支配因子解明法」の基盤技術となるThrough-Space/Bond(TS/TB)相互作用解析法が、様々なモデルや軌道相互作用のカットに対して安定的に解析可能かどうかの検証から開始した。本解析法では、人為的な軌道収縮により分子内の特定の軌道間相互作用をカットし、カット前後の比較から注目している相互作用の寄与を非経験的分子軌道法レベルで定量評価できる。この検証の中で、一部のモデルやカットの仕方によって、異常な挙動やエラー等が発生することが新たに分かった。本TS/TB解析法の安定動作は研究計画全体に係わる根幹部分であるため、特に慎重を期してプログラムの見直し、修正等を行い、個々の問題解決を行ったが、これにより課題を進めるに当たって重要な基盤技術の問題の洗い出しができたものと考えている。さらに現在、TS/TB解析法を振動解析法および反応経路解析法等と結合させることで、個々の軌道相互作用と遷移状態構造／振動モード／反応経路の間の関係解析が可能となるTS/TB-Freq/IRC解析法の手法設計を進めている。
平成28年度は、当該結合作業と手法検証を細心の注意を払いつつも効率的に進め、当初H28年度実施予定であった巨大系への適用のためのElongation法との結合についても、なるべく早い時期での着手を目指している。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

当初、平成27年度の早い時期に、基盤技術であるTS/TB解析法の多様な系、相互作用カットに対する検証を完了させ、軌道相互作用⇔遷移状態構造／振動モード／反応経路の間の関係解析が可能となるTS/TB-Freq/IRC解析法の開発を、酵素反応モデル系に適用して手法の妥当性を検証しつつ行う予定であったが、TS/TB解析法の安定稼動を目指した検証の中で予想以上に様々な不具合が見つかり、さらに個々の解決に試行錯誤も必要であったため、当初の計画に遅れが出た。しかしながら、今後の研究計画全体に係わる最重要部分のため、その修正には慎重を期す必要があり、考えうる問題点の多くを現時点で解決できたことの意味は大きい。当初予定していたTS/TB解析法と振動解析法および反応経路解析法の結合については、当該計画の遅れのために年度内の完成には至らなかったが、手法設計を着実に進めているところである。
上記を考慮して、「やや遅れている」という自己評価を行った。

Strategy for Future Research Activity

H27年度に終わらなかったTS/TB-Freq/IRC解析法の開発、および酵素反応のモデル系を用いた手法検証をH28年度中盤を目処に実施する。その後、当初H28年度に予定していた、TSTB-Freq/IRC法とElongation(ELG)法の結合によって巨大系へ適用できるよう開発を進める。ELG法は、高分子の重合反応のように計算機上で電子状態を伸長する方法であり、巨大系の高速O(N)計算を実現する手法である。TSTB-Freq/IRC法との結合で系全体の電子状態を考慮しつつその一部（例えば酵素中の“活性中心＋基質”部位のみ）に対して、相互作用をカットした状態での遷移状態の解析が可能となるよう手法構築を進める。
特に配慮する点として、研究過程で困難にぶつかった場合に、適宜、計算対象の簡単化や問題の切り分け、手法の見直しなど原点に立ち戻って再検証し、着実な前進を心掛けるとともに、研究協力者とも随時意見交換を行い、協力して問題解決にあたる。その際、TS/TB解析法の定量性や、ELG法の高精度・高効率性など、手法の特長が損なわれることの無いよう十分に注意する。また、必要に応じて研究計画の見直しを行うが、本課題の目標や意義を再度確認し、優先順位を明確にしつつ着実に計画を遂行していく。

Causes of Carryover

当初、H27年度後半には、年度前半に開発したTS/TB-Freq/IRC解析法を酵素反応モデル系に適用して、手法の妥当性を検証する予定であったが、基盤技術であるTS/TB解析法の安定稼動の検証の中で、予想を超える調整と修正が必要となったため、当該段階まで計画を進めることができなかった。計算資源が必要となるフェーズに達しなかったため、予定していたＰＣおよび関連部品の購入を見合わせ、さらには大型計算機レンタル料についても予定使用額に達しなかった。同様に、研究の進捗に関連して、計算・データ解析に関する謝金、打合せ等にかかる旅費も予定を下回った。

Expenditure Plan for Carryover Budget

これらの項目の使用計画として、H28年度内の方法論開発に適宜組み込む予定であるが、計算資源の確保については、状況に応じて計画の見直しを行うことで、無駄を生じないように十分留意する。前年度の研究の遅れから、H28年度は研究内容とともに、使用額も大きいが、効果的に運用するよう細心の注意を払いつつ研究を進めていく。