2018 Fiscal Year Research-status Report
統計熱力学計算に基づくロドプシンの熱安定化アミノ酸置換体の創出
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17K15099
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
安田 賢司 千葉大学, 大学院理学研究院, 特任助教 (40792081)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 膜タンパク質 / ロドプシン / 熱安定化 / 溶媒和エントロピー / 水素結合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度の研究で改良した膜タンパク質用の独自の自由エネルギー関数(FEF)を用いてサーモフィリックロドプシン(TR)とキサントロドプシン(XR)の極めて大きな熱安定性の違いを解析した。我々のFEFは脂質二重膜を構成する炭化水素基を溶媒とみなした時の並進運動に伴うエントロピー利得に着目している点に特徴がある。膜内(TM)領域と水中(WI)領域はTRとXRの結晶構造に対して全原子の分子動力学(MD)シミュレーションを行うことで決定した。解析の結果以下のことが判明した。TRはXRと比較して、TM領域がより大きく、かつ、WI領域の極性・荷電性アミノ酸が少ないという特徴があった。これらの結果、エネルギーの観点でTRはTM領域でのタンパク質の分子内水素結合のエネルギー利得を大きくしつつ、かつWI領域での脱水和のペナルティー(水- タンパク質間の分子間水素結合の損失)を小さくできる構造である。さらに、エントロピーの観点でも、TRはXRと比較してより密に主鎖と側鎖を充填することにより、大きな溶媒のエントロピー利得を獲得していることが分かった。
さらに、上記の研究で得られた知見に基づいて、TRをさらに熱安定化させるアミノ酸変異体の創出を行った。結晶構造から側鎖を上手く充填できていないと考えられるアミノ酸残基に対して他の19アミノ酸への置換体を計算機内で作成し、その置換に伴うエントロピー変化、エネルギー変化をFEFにより計算した。その結果から、熱安定化すると予測されるものを選出した。TM・WI領域は上記のMDシミュレーションで決定されたものを用いた。それらの変異体の熱安定性を実験により検証した結果、野生型と比較して熱変性温度が約3度向上した変異体が得られた。また、変異体の活性測定を行なった結果、プロトンポンプとしての機能を保持していることが確認された。
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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
当初の計画通り、昨年度改良した我々の自由エネルギー関数を用いて、TRの非常に高い熱安定性の物理起源を明らかにした。さらに、TRの耐熱化変異体の創出に成功した。このため予定通り順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初計画に従って、研究項目を継続する。今年度発見されたTRを熱安定化させるアミノ酸変異体に他の熱安定化アミノ酸変異を加えることで、さらに熱安定化したTRの創出に取り組む。
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| Causes of Carryover |
日程の都合の問題で、参加を予定していた海外学会への渡航を取りやめたため、予定していた使用額と異なった。残額は次年度使用分と合わせて、新たな計算機(Dell Precision)の購入に利用する。
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Research Products
(3 results)
