2018 Fiscal Year Research-status Report
Theoretical study of enzymatic reaction dynamics
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18K05049
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| Research Institution | Institute for Molecular Science |
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Principal Investigator |
森 俊文 分子科学研究所, 理論・計算分子科学研究領域, 助教 (20732043)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 酵素反応 / 反応ダイナミクス / 構造揺らぎ / 分子シミュレーション / 自由エネルギー / 構造励起状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
タンパク質は天然状態においても構造が大きく揺らぎ、またその構造揺らぎが機能発現に重要であることが実験的に明らかになりつつある。一方で、どのようにこの構造ダイナミクスが酵素反応などに寄与するかについては理解されていない。本研究では、分子シミュレーションを用いて酵素反応の反応機構を動的および静的側面から理解することを目指している。本年度は、プロリン異性化酵素Pin1を例としてとりあげ、異性化反応の自由エネルギー面と反応ダイナミクスを調べた。特に、レプリカ交換アンブレラサンプリング法を用いて自由エネルギー面と、それに沿って基質内、基質ー酵素間、酵素内の水素結合などがどのように変化していくかの解析を行った。また、遷移パスサンプリング法を用いて遷移ダイナミクスのサンプリングを行い、遷移がどのような時間で進行するかや、遷移過程に水素結合がどう変化していくかを調べた。その結果、最小自由エネルギー経路からは反応座標とカップルした酵素の構造変化が起こることが示唆されたが、遷移ダイナミクスからは、酵素の運動は反応座標に比べて遅いため、異性化反応と同時には起こらないことが示された。さらに構造変化の過程の解析を進めたところ、酵素反応の遷移状態の安定化に必要な基質周りの酵素の構造変化は、平衡状態においてはほとんど見られず、ごく稀に構造励起状態として現れ、そのような励起状態からすばやく異性化反応が進行することが見出された。
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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
プロリン異性化酵素Pin1について、静的・動的側面からの反応機構の解析が進み、その結果を論文として発表することができた。また、より詳細な遷移過程の解析も進んでおり、特に反応の進み方の多様性と、その背景にある分子機構の理解ができつつあり、論文にまとめるめどがたっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
Pin1における異性化反応の遷移過程は、committor probability distributionやtransition path timeなどの指標を調べると、単一の遷移状態というより、異なった経路が存在しているように見える。実際に、そのような視点から反応過程の解析を進めていくことで、酵素がどのように反応を触媒しているかの知見が得られてきており、その結果をより詳細に詰めて、論文にまとめていく。さらに、このような反応経路の存在割合が、Pin1のWWドメインへの基質の結合によってどのように変わるかを調べていく。
また、Pin1で得られた異性化反応の触媒機構に関する知見は、Pin1以外の異性化酵素においても共通しているか、もしくはどのように酵素ごとに機構が異なるかを明らかにすることが、より一般的な酵素反応の反応機構の理解に不可欠である。現在、他のいくつかの酵素について、計算を始めており、これらの解析から、まず異性化酵素の理解を深め、次に他の酵素反応へと展開していくことを目指す。
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| Causes of Carryover |
計算機の購入を予定していたが、より性能のよいものが近々発売されそうだとのことにより、そちらを購入する方がよいと判断したため。また、GPGPUの修理が必要となって使用計画に変更が生じたため、今年度は、GPGPUの新規購入を取りやめ、CPU計算サーバの購入のみを検討する。
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