2018 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 / 概日リズム / 光合成タンパク質 / 励起エネルギー移動 / 酵素反応 / 動的乱れ / 機能発現 / 構造変化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成30年度は、生体分子系の機能や反応に関する以下の研究を行った。
生体分子系の機能に関して、1、時計タンパク質KaiCの概日リズム、2、イオンチャネル分子ポリセオナミドB(pTB)の膜挿入およびイオン透過、3、Fenna-Mathews-Olson(FMO)タンパク質における励起エネルギー移動の解析を行った。1に関して、KaiCにおけるATP加水分解やリン酸化反応の素反応に加え、KaiAやKaiBとの結合・乖離に関わるKaiCの複数の構造変化を考慮したモデルの構築を進めた。2に関しては、膜挿入の解析を進めた。膜挿入に関する分子動力学計算および自由エネルギー計算を行い、脂質二重膜へのpTBの自発的膜挿入過程を明らかにした。3に関して、タンパク質中のバクテリオクロロフィル(BChl）の励起エネルギーを高精度で効率良く求める計算手法の開発がほぼ完了した。励起エネルギーの移動の解析を進め、再配置エネルギーの大きな色素がBChlのネットワークの中に散在していることが高効率励起エネルギーの起源であることを明らかにした。
反応に関する研究として、4、酵素反応の動力学的様相、5、構造変化における動的乱れ、6、生体分子に大きな影響を与える水のダイナミクスの研究を行った。4については、酵素反応における反応性軌道を解析し、始状態のbasinにいながら遷移状態の構造に似た”コンフォメーション励起状態”を経て反応が進行することとともに、遷移状態理論で仮定される局所熱平衡的に反応が進行しないことも分かった。5に関しては、水溶液中のBPTIにおける複数の配座異性体を例に、遷移確率行列に基づき異性体間の遷移ダイナミクスを調べ、構造変化における動的不均一性・無秩序の役割の解析を進めた。6に関して、水の構造・動的転移を解析し、特異性の分子起源などを明らかにした。
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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
平成30年度に行った生体分子系の機能や反応に関する研究のうち、酵素反応の動力学的様相、生体分子に大きな影響を与える水のダイナミクスの研究に関して3報の論文を出版した。とくに、酵素反応の動力学的様相の論文は、J. Phys. Chem. Lett.のsupplementary journal coverに、複素エントロピーの提案による水のガラス転移に関する論文は、J. Chem. Phys.のFeatured Articleにも選出された。また、本基盤研究において直接推進する課題として挙げていないが、ダイナミクスの解析の観点から本基盤研究に関わる研究として、これまで研究代表者が研究を展開してきた二次元赤外分光法の理論・計算科学研究に関する総説論文を、韓国、オランダの研究者との共同研究として出版した。
また、時計タンパク質KaiCの概日リズム、ポリセオナミドBの膜挿入、FMOタンパク質における励起エネルギー移動、構造変化における動的乱れの研究に関しても、論文投稿の準備を行っている段階にある。これらの研究においても、これまでにない新しい研究成果が得られている。
本課題で推進している個々の課題について今後の展開も期待される。以上の状況から、「おおむね順調に進展している」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、生体分子系の機能や反応に関する研究を展開している。
生体分子系の機能に関する研究として、平成30年度に引き続き、(1)時計タンパク質KaiCの概日リズム、(2)イオンチャネル分子ポリセオナミドB(pTB)の膜挿入、イオン透過、(3)Fenna-Mathews-Olson(FMO)タンパク質における励起エネルギー移動の研究を進める。(1)に関しては、KaiCの素反応、KaiA、KaiBとの結合・乖離におよびそれに関連するKaiCの構造変化を考慮した数理モデルによるKaiCの概日リズムの解析を完成させる。さらに、KaiCのC1ドメインのATP加水分解に関するQM/MM計算を進め、KaiCのATP加水分解の低活性の分子論的起源を明らかにする。(2)に関しては、生体膜内のpTBにおけるイオン透過に関する自由エネルギーおよびイオン透過ダイナミクスの解析を進める。(3)に関しては、密度行列に対するLiouville方程式における緩和行列を解析し、励起エネルギー移動の分子論的起源を明らかにする。
また、反応に関する研究としても、引き続き、(4)酵素反応の動力学的様相、(5)構造変化における動的乱れ、(6)生体分子に大きな影響を与える水のダイナミクスの研究を進める。(4)に関しては、プロリンのペプチド結合のcis-trans異性化を触媒する酵素であるプロリン異性化酵素であるPin1タンパク質において、如何なる異性化の遷移が起こるかに関する解析を進める。(5)に関しては、状態変化を解析するための理論手法の開発を引き続き進めるとともに、水溶液中のBPTIタンパク質の構造ダイナミクスの解析を進め、構造変化ダイナミクスにおける動的乱れの起源を探る。(6)に関しては、水の系を例として液体のネットワーク構造変化が如何に進むのかを明らかにする。
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