2021 Fiscal Year Annual Research 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 – 2022-03-31
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| Keywords | 酵素反応機構 / QM/MM計算 / 自由エネルギー計算 / バイオマス分解酵素 / Glycoside hydrolase (GH) / キシラナーゼ (Xylanase) / 基底状態不安定化 / 基質歪み |
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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経験的分子力場を融合した複合シミュレーション計算（QM/MM計算）を分子動力学計算と組み合わせることで、現実的なバイオシミュレーション技術を開発／拡張すると同時に、典型的なバイオマス分解酵素の一つであるキシラナーゼ（Xylanase）に適用し実在の酵素反応系で大規模計算を実行することで、従来は遅い反応だと考えられてきたグリコシド結合の加水分解過程を分子スケールで詳細に解析し、酵素反応の律速段階を同定して反応機構を解明することにある。
研究対象である Xylanase は Glycoside hydrolase (GH) と総称される酵素の一種であり、植物細胞壁を構成するヘミセルロースの加水分解を触媒する酵素である。これまで様々な種に由来する Xylanase の実験研究が報告され酵素の立体構造に関しても多数の構造が解明されたが、触媒反応の本質であるβグリコシド結合の加水分解メカニズムに関しては依然として定性的な理解にとどまり、特に重要な作業仮説である「基底状態の基質不安定化（基質歪み）が酵素活性に優位に寄与する」に関しては、依然として未解決の難問として残されている。
我々は独自の計算プログラムを作成し、中性子構造と高分解能X線構造を組み合わせた酵素基質複合体の精密な分子モデリングを基礎として、グリコシド結合分解過程のエネルギー変化を自由エネルギーレベルにて計算した。反応過程前半 (Glycosylation) の律速過程はグリコシド結合の切断であり、この過程においてごく短時間ながら oxocarbenium ion 中間体が生成しうることを理論計算の視点から初めて明快に示した。また本酵素の特徴として、反応環境（温度とpH）に関して広い耐性を持つことが知られているが、外的環境変化に応答するタンパク質の構造的要因についても解析を継続している。
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