2016 Fiscal Year Research-status Report
タンパク質の構造安定性と分子間相互作用に関する実験と理論による研究
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16K05657
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
墨 智成 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 准教授 (40345955)
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2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | タンパク質 / 自由エネルギープロファイル / 溶媒和自由エネルギー / 液体論 / 密度汎関数理論 / シニョリン / 高温変性 / 圧力変性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
タンパク質分子内および分子間のある距離を反応座標として、水中での自由エネルギープロファイルを効率的に計算する方法を開発した。この方法では、計算コストが低い連続体溶媒モデルを用いて、反応座標に沿ったumbrellaサンプリング法に基づく分子動力学シミュレーションを行い、一種の中間状態としての自由エネルギープロファイルを計算する。
次に我々が開発したReference-modified density-functional theory (RMDFT)を用いて、連続体溶媒モデルによるMDシミュレーションで生成した構造に対して、溶媒和自由エネルギーを計算し、自由エネルギー摂動法を適用することにより、溶媒分子による寄与を自由エネルギープロファイルに取り込む補正を行う。これにより、様々な温度および圧力下での自由エネルギープロファイルを計算可能になる。ちなみに連続体溶媒モデルでは高圧下に対応した計算は困難である。同様に自由エネルギー摂動法を適用し、ある反応座標上で固定した状態に対する過剰化学ポテンシャルおよび真空中でのタンパク質分子の構造エネルギーによる自由エネルギープロファイルを計算することができる。
本手法をタンパク質のアンフォールディング過程における自由エネルギープロファイルの解析やタンパク質二分子間に働く平均力ポテンシャルの解析に適用し、溶媒効果と自由エネルギープロファイルの関係を明らかにする。本年度は、本手法を10残基から成る人工タンパク質シニョリンに適用し、タンパク質の末端間距離を反応座標とした水中での自由エネルギープロファイルの温度および圧力による変化と溶媒和自由エネルギーによる寄与の解析を進めている。
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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
本研究で重要と成るタンパク質等の構造ゆらぎを持つ巨大分子におけるある特定の反応座標に沿った自由エネルギープロファイルを、高精度でかつ高効率に計算する新たな手法を開発した。本手法を、10残基から成る人工タンパク質シニョリンに適用し、タンパク質の末端間距離を反応座標をとした水中での自由エネルギープロファイルの高温変性および圧力変性における変化、および溶媒和自由エネルギーによる寄与を解析するために、計算を進めている。これまでに計算した自由エネルギープロファイルの結果は、高温変性および高圧変性に対して拡張アンサンブル分子動力学シミュレーション法の結果と概ね一致していることを確認しており、本手法の有効性を確信しつつある。この自由エネルギープロファイルに対して、溶媒による寄与、すなわち反応座標に沿った過剰化学ポテンシャルを算定し、天然構造の安定性および変性の遷移状態の物理的起源ならびに、高温および圧力変性のメカニズムを明らかにすべく、計算を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
シニョリンの一連の計算を実施し、解析手法を確立した後に、本手法をタンパク質分子間相互作用の解析に適用する。具体的には水中でのリゾチーム二分子間の平均力ポテンシャルを計算する予定である。我々のX線小角散乱測定データに対する液体論を用いた解析では、静電反発による遮蔽されたクーロン斥力に加え、タンパク質が接触する距離付近に引力が存在し、中間領域に活性化障壁が存在することが示されており、これらの物理的起源を明らかにすることを目的に、本手法による解析を実施する予定である。
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