2018 Fiscal Year Research-status Report
Computational modeling and analysis of glycosyl hyrolases : reaction mechanism and catalytic design
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18K05052
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
石田 豊和 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (70443166)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 酵素反応機構 / Glycoside hydrolase (GH) / キシラナーゼ（Xylanase） / バイオマス分解酵素 / QM/MM計算 / 自由エネルギー計算 / 分子動力学計算 / 電子状態計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、非経験的量子化学計算と分子動力学計算を組み合わせた複合シミュレーション技術の開発と拡張を基礎として、バイオマス分解酵素の一つであるキシラナーゼ（Xylanase）に適用することで、遅い反応だと考えられているグリコシド結合分解過程を詳細に解析する手法を開発し、実在の酵素反応系にて大規模計算を実行して、本酵素反応の律速段階を同定、反応機構を解明することにある。
今回研究の対象とするバイオマス分解酵素は、一般にGlycoside hydrolase(GH)と総称される酵素であり、特にGH11ファミリーに属する酵素 Xylanase の反応機構を考察する。Xylanaseは比較的小さな酵素タンパク質で、活性中心の電子状態はタンパク質中の荷電アミノ酸残基の影響を強く受けることが予想される。つまりこれは、出発構造としてどの実験構造を用いるかによって、理論計算の結果が大きく影響されることを示唆している。そこで本研究においては、高分解能のX線結晶データと合わせて、荷電アミノ酸残基のプロトン化状態を決定した中性子解析構造も併用して、酵素基質複合体の初期モデリングを実行した。
今年度の研究で、過去の実験結果から予想される反応機構を仮定した上でのab initio QM/MMレベルでの大域的ポテンシャルエネルギー面の計算が完了しており、タンパク質実験初期構造に依存した反応プロファイルの変化や、反応律速過程における活性中心の構造変化、その際のエネルギー変化などの基本的情報が得られた。これにより、酵素反応を記述するのに適切な反応座標を改めて再定義することが可能となり、定義した反応座標のもとで酵素反応の自由エネルギー変化を大まかに見積もった。より詳細な構造／エネルギー解析は、次年度に引き続き継続していく予定。
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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
本研究で意図することは、酵素の実験構造が解明された半世紀以上も前から論争が繰り返されてきた作業仮説「グリコシド結合の加水分解過程でOxacarbenium ionが反応中間体として実際に生成しうるか否か」に関して、この極めて根源的かつ重要な反応仮説を、最新の理論／計算化学技術を駆使して検証することにある。この目的のためには、現時点で最も信頼性の高い実験データをもとに酵素基質複合体の初期構造モデリングを完了することが第一段階であるが、複数の最新実験構造を入手することで、初期分子モデリングに関する技術的な課題は実施１年目で解決し、この結果としてab initio QM/MMレベルでの大域的な酵素反応ポテンシャルエネルギー面の情報を得ることができた。ポテンシャルエネルギー面と酵素の立体構造情報をもとに、反応の進行に伴う酵素活性中心の微視的な構造変化、反応中間体もしくは反応遷移状態を安定化するために必要な構造的要因を抽出することが可能になり、次年度以降でより詳細なデータ解析に続ける。
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| Strategy for Future Research Activity |
まずは天然型酵素の反応機構に関して、反応の第一ステップである glycosylation過程の反応自由エネルギー変化の計算を最優先で完成させる。活性化エネルギーなど、既存の実験データと比較検討が可能なパラメータを一通り算出して実験と計算データの整合性を検証して、理論計算が各種実験事実を再現することを確認した上で、各種の酵素活性要因を詳細に解析する。特に活性中心の局所的な構造変化と酵素タンパク質の高次構造の相関に注目して、触媒活性の鍵となる因子をアミノ酸残基レベルで同定することで、本酵素反応に必須となるミニマム構造単位を抽出する。
本研究は米国 Oak Ridge National Laboratory (ORNL)の研究グループとの共同研究として実施するので、次年度は現地での共同研究を進めるために渡米・短期滞在して、現地での共同作業やディスカッションを重視する。
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| Causes of Carryover |
当初の研究計画では、開始初年度に計算用ワークステーションの導入を想定していたが、初年度の予算配分額と現行ワークステーションの価格を見比べて、当初予算だけではマシンの購入が現実的に不可能と判断されたので、前年度予算の多くを次年度に繰り越して、２年次予算とあわせての計算機導入を再検討する方向に変更した。
ただ幸いにも研究開始年度は、外部計算機等の利用により、予定通りの計算が実施できたので、今後は外部計算機の活用も視野に入れて、本国際共同研究の効率が最大限となるように予算計画を見直して、臨機応変に対応する。具体的には、次年度以降は米国での共同研究を進めるために海外出張／現地作業をまとまった期間で実施するため、外部計算機の計算時間が確保できれば、予算の多くを出張旅費に充てて在外研究を進めて、また並行して、国内外の研究集会に積極的に参加発表することを予定している。
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Research Products
(4 results)
