2020 Fiscal Year Annual Research Report
Searching the bottleneck of enzymatic reactions: Reaction path sampling calculation accompanied with experiment
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17KT0101
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| Research Institution | Nippon Medical School |
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Principal Investigator |
藤崎 弘士 日本医科大学, 医学部, 教授 (60573243)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
楯 真一 広島大学, 統合生命科学研究科(理), 教授 (20216998)
山本 典史 千葉工業大学, 工学部, 准教授 (30452163)
森次 圭 横浜市立大学, 生命医科学研究科, 特任准教授 (80599506)
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| Project Period (FY) |
2017-07-18 – 2021-03-31
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| Keywords | 酵素反応 / パスサンプリング / 反応経路 / レアイベント |
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| Outline of Annual Research Achievements |
細胞内における生体分子の機能として重要なものの一つが酵素反応であり、それは生命活動に必要不可欠なものである。生化学の分野では今までに主に実験によって、様々な酵素反応の素過程やそれらの連なりとしての反応サイクルが明らかにされている。酵素反応においては基質分子が別の分子に転換されるが、その際は酵素と基質の相互作用によってその反応は加速されるのが常である。この加速の機構は反応の自由エネルギー障壁が低くなるものとして理解されることが多いが、それはアレニウス則を前提にして導かれるものである。ただし、実験的には動的なレート「そのもの」を直接測定しており、酵素反応をより「動的に」捉えるために新たな手法が求められている。
ここでは Zuckerman らによって精力的に研究が進められている、重み付きアンサンブル(weighted ensemble)法というパスサンプリングの新規な手法を用いる。これは超並列に分子動力学計算を流し、各粒子を分裂させたり、融合させたりしながら、その重みを変化させていくことで、ある集団座標空間におけるパスサンプリングを実現する。その結果、酵素反応や構造変化のような稀におこる現象（レアイベント）を効率的にシミュレートできる。その最大の特色は、通常の熱力学的なサンプリング手法と異なり、動的な情報（反応レートなど）も得ることができることである。去年度は共同研究者が実験を行っているPIN1酵素にこの手法を適用し、基質の異性化反応における水素結合の組み替えを動的に特徴づけることができたが、ミューテーションの追加計算などを加えて、結果をJ. Chem. Theory Comput.に出版した。またアデニル酸キナーゼと基質との結合によって引き起こされるドメインの大規模運動も同手法でシミュレートし、反応レートの計算などについて国際会議の招待講演を行った。
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