2022 Fiscal Year Annual Research Report
Analysis of nitrogen-hydrogen interaction in macromolecules by neutron diffraction and computational science
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18KK0194
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
尾瀬 農之 北海道大学, 先端生命科学研究院, 教授 (80380525)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
齋藤 徹 広島市立大学, 情報科学研究科, 講師 (80747494)
塚本 卓 北海道大学, 先端生命科学研究院, 助教 (30744271)
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| Project Period (FY) |
2019-02-07 – 2023-03-31
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| Keywords | 中性子回折 / 結晶巨大化 / アミン/イミン / QM/MM MD / ヘテロ芳香環 / Watson-Crick型塩基対 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生体内におけるアミン/イミン水素と水素原子間の結合は，容易に確認できる方法が無いため，中性子線結晶構造解析が可能となるように，結晶巨大化に取り組んだ。脱アミノ化酵素はシッティングドロップ中において，基質有無の２種の結晶が，長辺2.0 mm以上にまで巨大化することができた。不凍蛋白質の結晶も，長辺1.0 mm程度に巨大化した。大強度陽子加速器施設J-PARCにおいて中性子線回折測定をおこなった。それぞれ分解能4.0オングストローム，2.0オングストロームにおける回折点が観測できた。脱アミノ化酵素結晶は非常に脆く，キャピラリマウント時に損傷してしまったことが原因である。不凍蛋白質結晶は高分解能解析が期待でき，2023年度前半に予定されているJ-PARCのビームタイムにおいて，構造解析データセットの収集をおこなう。また，ロドプシンでは，分光学・電気化学に基づく測定により，活性部位イミン及び周辺のアミノ酸のプロトン化状態の過渡的な変遷を観察し，長らく不明だったイオン通過ゲートの開閉のしくみの一端を明らかにした。
計算化学において，ニューヨーク市立大学のLiuグループとの国際共同研究では、Watson-Crick型塩基対におけるグアニンラジカルカチオン種と一重項酸素との反応について，実験と高精度量子化学計算を用いて解明した。また，QM/MM MDシミュレーションを用いて，既存の様々なウレアーゼ阻害剤の結合様式ならびに阻害機構を定量的に解明することに成功した。得られた活性化および反応自由エネルギーと，阻害能の指標となる実験値（IC50値）との間に相関関係を見出し，生体分子シミュレーションの結果に基づいた阻害剤設計の可能性を示した。含窒素ヘテロ芳香環化合物を基質とする金属酵素アルデヒドオキシダーゼの代謝部位を，瞬時にかつ高精度に予測する機械学習モデルの構築も行った。
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