2017 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical study on biomolecular functions: Effects of conformational fluctuations and changes
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16H02254
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| Research Institution | Institute for Molecular Science |
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Principal Investigator |
斉藤 真司 分子科学研究所, 理論・計算分子科学研究領域, 教授 (70262847)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 時計タンパク質 / イオンチャネル / 構造変化 / 化学反応 / 機能発現 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1 時計タンパク質KaiCの概日リズムの分子機構の解析
タンパク質KaiCは6量体からなり、C1およびC2ドメインと呼ばれる2つのドメインで構成されている。KaiCの加水分解能はモータータンパクに比べて非常に低い。そこで、微視的レベルの解析として、我々はQM/MM計算に基づくKaiCの加水分解能の低さの起源の解析を進めている。また、巨視的レベルの解析として、Kaiタンパク系の概日リズムの数理モデルの解析を進めた。KaiCを有効的に単量体と仮定し、概日に関わる化学反応、C1およびC2ドメインの複数の構造状態を考慮した数理モデルを提案した。このモデルにより、リン酸化の周期、KaiCにおける加水分解能、温度依存性、外部状態の変化との同調性を再現することが可能であり、温度補償性に対して新たな機構を提案することができたことに加え、同調性の起源も明らかになってきた。
2 ポリセオナミドB（pTB）の膜挿入・イオン透過の解析
pTBは、D-体とL-体の合計48残基が交互に結合し、右巻きのベータヘリックスを形成している海面由来の毒性ペプチドである。しかも、48残基のうち24残基は非天然アミノ残基であり、分子シミュレーションを行う際に新たにパラメータを作成する必要があった。そこで、非天然アミノ酸の電荷パラメータを新たに作成するとともに、分子動力学計算に基づき、実験で求められた構造や揺らぎの比較を行った。実験との対応関係はすごく良好であり、論文にまとめた。現在、pTBが脂質二重膜にどのように挿入するのか、その自由エネルギー等の解析を進めている。
3 動的乱れの解析手法の開発
動的乱れは、蛋白質などにおける化学過程・反応における構造揺らぎ・変化の役割を理解する上で重要な性質である。動的乱れを一分子速度論の観点から解明することを目指し、確率過程理論に基づきその解析手法の開発を開始した。
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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
時計タンパク質KaiCの概日リズムの分子機構の解析に関しては、これまで報告されてきているものに比べ新しい数理モデルを提案することができ、現在論文を執筆中である。
また、ポリセオナミドB（pTB）の膜挿入・イオン透過の解析に関しては、pTBの分子動力学計算のためのパラメータを作成するとともに、pTBの構造および揺らぎの解析を行い、論文として纏めることができた。さらに、現在は、pTBの脂質二重膜への挿入過程の解析を進めている。
さらに、90年代から生体分子の反応過程などの一分子レベルで実験的な解析が進められている。本年度は、これらの実験やシミュレーションにより得られたデータをどのように解析すべきかに関する理論検討を開始することができた。
以上の理由により、本研究がおおむね順調に進展しているとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
1 時計タンパク質KaiCの概日リズムの分子機構の解析
本研究では、微視的レベルから巨視的レベルの解析により、KaiCの概日リズム発現の解明を目指す。微視的レベルの解析では、これまでに引き続き、KaiCのC1ドメインにおける低いATP加水分解活性の分子論的解明を進める。とくに、KaiCとキネシンやミオシン系におけるATP加水分解との比較を行い、KaiCの加水分解の特徴を解明する。さらに、巨視的レベルの解析として、Kaiタンパク系の概日リズムの数理モデルの解析についてもさらに進める。
2 ポリセオナミドB（pTB）の膜挿入・イオン透過の解析
現在、pTBの重心と生体膜との距離を変数とした自由エネルギー計算および分子動力学計算による自発的膜挿入の解析を進めている。これらの計算・解析に基づき、pTBの膜への挿入過程が如何に起こるのかを解明し、論文として纏める。また、この解析の後、系に電場を印可し、pTBへのイオンの侵入・透過過程について、自由エネルギー等の解析を進めていく。
3 動的乱れの解析手法の開発とその応用
凝縮系の構造変化や化学反応における動的乱れの解明に向け、確率過程理論に基づく系の動的情報の解析手法の開発を進めるとともに、現実系で分子動力学計算を行い、動力学の解析を行う。
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