2020 Fiscal Year Annual Research Report
Clarification of Ubiquitous Proton Function in Photoreceptive Proteins by Quantum Molecular Dynamics Simulations
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18H05264
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
中井 浩巳 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00243056)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高野 光則 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (40313168)
吉川 武司 東邦大学, 薬学部, 准教授 (10754799)
小野 純一 京都大学, 実験と理論計算科学のインタープレイによる触媒・電池の元素戦略研究拠点ユニット, 特定研究員 (30777991)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | 光受容タンパク質 / 量子的分子動力学（QMD）法 / 遍在プロトン / バクテリオロドプシン（BR） / FoF1-ATP合成酵素 / 光活性イエロータンパク質（PYP） / GPUアクセラレータ / 励起状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は、理論およびプログラム開発に関する基礎テーマ(T1-T2)、基底状態の応用テーマ(G1-G3)ならびに励起状態の応用テーマ(E1-E2)からなる。2020年度には、(G1) バクテリオロドプシン（BR）のプロトン移動ダイナミクス、(G2) イオン輸送機能を持つ微生物型ロドプシンにおけるプロトン移動ダイナミクス、(G3) FoF1-ATP合成酵素における機能発現ダイナミクス、(E1) 光活性イエロータンパク質（PYP）における光異性化ダイナミクスを実施した。
(G1)では、BRの2段階目のプロトン移動（プロトン放出）を対象とした量子分子動力学（QMD）計算を継続した。その結果、プロトン放出過程において水溶媒との界面に位置するGlu9/Glu74が過渡的にプロトンを受容することを解明した．本結果は実験で提案された中間的なプロトン受容体がGlu9/Glu74であることを示唆している．
(G2)では、チャネルロドプシン（ChR2）の結晶構造を膜に埋め込んだ系を構築して古典分子動力学（CMD）計算を行い、ChR2内部に侵入する水の分布を解析した。水チャネルのゲート部位に位置するGlu90のプロトン化状態によって水の侵入度合いが異なることがわかった。(G3)では、c-ringの回転機構を解明するため、CMD計算によるアンブレラサンプリングを続行し、c-ringの回転角を反応座標とした自由エネルギー地形（PMF）を解析した。
(E1)では、PYPの光異性化は無輻射失活過程であるため、円錐交差（CI）構造を高速かつ精度よく再現できる手法が必要となった。独自プログラムDCDFTBMDに対してコストと精度のバランスのよいスピン反転法を導入した。CI構造を経由する光異性化反応のモデル化合物であるcis-アゾベンゼンに適用することにより、励起寿命や量子収率を精度よく再現することに成功した。
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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
以下に示す各テーマの進捗状況から、「（2）おおむね順調に進捗している」と判断した。
(G1)では、昨年度より継続して、BRの2段階目のプロトン移動であるプロトン放出過程を対象としたQMD計算を実行し、プロトン放出基から細胞外側水溶媒へと余剰プロトンが放出される過程において、BR表面に存在するGlu9/Glu74のプロトン脱着を伴う反応経路が存在することを解明した。その結果、時間分解赤外分光法の先行研究によって提案された反応中間体がプロトン化されたGlu9/Glu74であることを新たに見出した。広範囲にわたるプロトン移動を記述可能な大規模QMD計算によって、プロトン放出機構の解明を実現した。当初の予定通り、(G1)の研究計画を完遂した。
(G2)では、ChR2のCMD計算により、Glu90は脱プロトン化状態のときにChR2内部へ水が侵入しやすくなることがわかった。このことから、ChR2では光反応サイクル中においてGlu90の脱プロトン化が起きることが示唆された。一方，ナトリウムイオンの侵入は観測されなかった。このことから、ナトリウムイオンの受動輸送には構造変化や他のプロトン移動など別の駆動力が更に必要であることが示唆された。(G3)では、CMD計算によるアンブレラサンプリングにより、c-ringの回転角を反応座標とするPMFの概形が得られた。一方、本来あるべきPMFの周期性が見えてきていないことからサンプリングがまだ不十分であることがわかった。
(E1)では、溶媒水分子を考慮したPYPのドロップレットモデルの光励起する前の基底状態に関する平衡構造の計算は終了している。昨年度までに開発した励起状態計算のための分割統治型時間発展密度汎関数強束縛法を用いて、光異性化過程のスナップショットの構造で励起状態計算を行ったが、光異性化を再現することはできなかったためスピン反転法を新たに開発した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの進捗等を考慮した結果、本研究はおおむね順調に進展していると判断できた。2021年度以降も当初の研究計画通り各テーマを遂行する。
(T1-T2)に関して、当初の研究計画通り、2019年度までにすべての開発が完了している。2021年度には各応用テーマの一環として、DCDFTBMDプログラムの更なる高速化や機能の強化を行う。また、更新したプログラムの公開も行う。
(G1)に関して、当初の研究計画通り、すべての応用計算が完了した。2021年度にはこれまでの成果を論文としてまとめ、成果を創出する。(G2)では、これまで用いてきたall-trans型のプロトン化シッフ塩基（RPSB）に加え、光異性化した13-cis型でのCMD計算も行い、RPSBからGlu90に繋がるクーロン結合（水素結合）ネットワークの解析を行う。また、膜内外に電位差を加えたCMD計算を行い、ChR2内部へのナトリウムイオンの侵入を捉える。(G3)ではFoのc-ring回転の自由エネルギー地形解析のためのアンブレラサンプリングのwindow数を増やし、隣接するwindow間での分布の重なりを改善し、PMFの収束性を高める。また、QMD計算によるFo内部のプロトン伝導とc-ringのGlu56でのプロトン脱着機構の解析に着手する。
(E1)では、今年度開発したスピン反転法に基づく分割統治型時間発展密度汎関数強束縛法を用いて、PYPのドロップレットモデルの光異性化反応を解析する。具体的には、PYPの活性中心はp-クマル酸であり、Hula-Twist, one-bond flip, bicycle pedal型と3つの光異性化過程が提案されている。タンパク質中ではどの反応機構が進行しやすいかを考察する。光異性化の比較として、基底状態計算を行い熱反応における異性化反応過程の解析も行う。(E2)についても同様に解析を行う。
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