2022 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) |
吉川 武司 東邦大学, 薬学部, 准教授 (10754799)
高野 光則 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (40313168)
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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） / 励起状態 / 非断熱遷移 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，生体分子系全体を量子的に取り扱うための基盤技術の開発と，光受容タンパク質を対象とした応用を実施し，生命現象の微視的機構を遍在プロトンの観点から解明することを目指した．開発では，独自の量子分子動力学法に対して大規模・長時間化，励起状態への拡張，状態間遷移の実現を達成した．応用では，プロトンポンプやチャネルにおいて遍在プロトンがオキソニウムイオンや水酸化物イオンを経由して機能発現に関与する分子機構を解明した．
最終年度には，2項目の基盤研究と4項目の応用研究を実施した。基盤研究は当初計画では予定していなかったが，研究を推し進める上で必要となった内容である。具体的には，超巨大系の電子状態計算手法の開発で、世界最大クラスとなる1億原子系に対する超並列計算を世界で初めて達成した。もう1つは，複数の混合状態を扱うEhrenfest法に分割統治法を適用することで，効率的に励起状態ダイナミクスを実行できる手法を開発・実装した。
応用研究は、当初予定していたバクテリオロドプシンの光異性化ダイナミクスでは，発色団レチナールにおいて隣接する二重結合が協奏的に回転するBicycle pedal機構によって異性化が進行することを明らかにした。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では，発色団レチナールのC13=C14における異性化（trans→cis転移）に伴ってC15=Nζにおける異性化（anti→syn転移）も生じることを明らかにした．FoF1-ATP合成酵素における機能発現ダイナミクスでは、膜内外をつなぐ水チャネル形成を明確に捉えることができ，チャネル中央に位置するサブユニットaのArg169のクーロンポテンシャルがプロトンのリークを防いでいることを明らかにした。これらに加えて当初計画にはなかった新型コロナウイルス感染症に対する創薬研究を実施した．
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| Research Progress Status |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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