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2008 Fiscal Year Annual Research Report

量子ハイブリッド分子動力学法による生体機能の量子デザイン

Research Project

Project/Area Number 19019003
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

舘野 賢  University of Tsukuba, 大学院・数理物質科学研究科, 准教授 (40291926)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 濡木 理  東京大学, 医科学研究所, 教授 (10272460)
KeywordsQM / MMハイブリッド計算 / RNA / タンパク質 / 電子構造 / 酵素反応 / 立体構造 / 触媒反応 / 分子動力学計算
Research Abstract

本研究では, 生命の最も基本的かつ重要な機能のひとつを担うRNAとタンパク質の複合体(すべての生体内タンパク質生合成に必須)における酵素触媒反応について, ハイブリッド分子動力学シミュレーションによる解析を推進した。ロイシルtRNA合成酵素と特異的なtRNAの複合体によるエディティング反応が解析の主たるターゲットである。昨年度までに, 溶媒等を含むリアルで精密な計算モデル(約170,000原子)を構築し, これを「まるごと」量子ハイブリッド計算の対象とし, 反応機構の高精度な解析を初めて実現した。以上の計算は, 本研究において開発したQM/MMハイブリッド・インターフェースシステム(本年度プレス・リリースを実施)を駆使して実現した, ハイブリッド分子動力学計算によるものである。これにより, 本年度は主として以下の成果を得た。1)昨年度明らかになった, 大まかな反応経路および反応機構をより広範かつ綿密に計算し, 最適経路を決定した。その結果, 活性化エネルギは昨年度の概算よりも大幅に下がり, 約20kcal/molと結論付けた。2)反応開始段階における, 求核剤となる水分子の活性化は, RNA(その03'原子)が水分子のH原子を吸引し共有することによって生じ, タンパク質因子(アミノ酸残基)によるものではないことを明らかにした。すなわちこの反応の実体は, 驚いたことにRNA酵素(リボザイム)であることを見出した。実際この系では, 従来より「タンパク質に対する」変異体実験が十分に成功していないが, この計算結果によりその理由が明らかとなった(タンパク質ではなくRNAが反応を駆動している)。4)同様な反応機構をもつと考えられる系を, 既知の結晶構造に対して組織的に探索した結果, これはリボザイムにおける主要なクラスのひとつとして追加すべき, 新規の重要な反応系であることがわかった。またこれは, 生命誕生におけるRNAワールド仮説を強く支持するものであり, 当該の系はさらに, RNPワールドへの生命進化における鍵を握るものであることが明らかになった。

  • Research Products

    (25 results)

All 2009 2008

All Journal Article (10 results) (of which Peer Reviewed: 10 results) Presentation (15 results)

  • [Journal Article] Evaluation of stabilization energies in π-π and cation-n interactions involved in biological macromolecules by ab initio calculations2009

    • Author(s)
      Tateno, M. and Y. Hagiwara, Y.
    • Journal Title

      J. Phys. : Cond. Mat. 21

      Pages: 064243

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] QM/MM hybrid calculation of biological macromolecules using a new interface program connecting QM and MM engines2009

    • Author(s)
      Hagiwara, Y., et.al.
    • Journal Title

      J. Phys. : Cond. Mat. 21

      Pages: 064234

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Electronic and geometric structures of the blue copper site of azurin in vestigated by QM/MM hybrid calculations2009

    • Author(s)
      Kang, J., et.al.
    • Journal Title

      J. Phys. : Cond. Mat. 21

      Pages: 064235

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Evaluation of Electronic and Geometribal Properties of the Blue Copper Site in Fully Solvated Azurin by QM/MM Hybrid Calculations Using a New Interface Program Connecting QM and MM Engine2009

    • Author(s)
      Ohta, T., et.al.
    • Journal Title

      J. Comp. Theor. Nanosci. (In press)

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A First-Principle Exploration of Heme a and Heme a3 of the Bovine Cytochrome c Oxidase in Reduced and Oxidized Charge States2009

    • Author(s)
      Boero, M., et.al.
    • Journal Title

      J. Comp. Theor. Nanosci (In press)

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Structural modelling of the complex of leucyl-tRNA synthetase and mis-aminoacylated tRNALeu2009

    • Author(s)
      Hagiwara, Y., et.al.
    • Journal Title

      FEB S Lett. 583

      Pages: 825-830

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Identification of the nucleophilic factors and productiye complex for editing reaction by leucyl-tRNA synthetase2009

    • Author(s)
      Hagiwara, Y., et.al.
    • Journal Title

      FEBS Lett. (In press)

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A novel computational scheme for accurate and efficient evaluation of π-π and π-σ stacking2009

    • Author(s)
      Hagiwara, Y., et.al.
    • Journal Title

      J. Phys. : Cond. Mat (In press)

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Structures and evolutionary origins of plant-specific transcription factor DNA binding domains2008

    • Author(s)
      Yamasaki, K., et.al.
    • Journal Title

      Plant. Physiol. Biochem 46

      Pages: 394-401

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 第一原理計算が明らかにする生体反応の精巧な仕組み2008

    • Author(s)
      舘野賢, 他
    • Journal Title

      生物物理(日本生物物理学会) 48

      Pages: 216-220

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Computational study of signal propagation in the complex of Thermus thermophilus leucyl-tRNA synthetase (LeuRS) and its cognate tRNA2009

    • Author(s)
      Hagiwara, Y., et.al.
    • Organizer
      Biophysical Society 53rd Annual meeting
    • Place of Presentation
      ボストン(アメリカ合衆国)
    • Year and Date
      20090301-05
  • [Presentation] Mechanisms of Editing (Proofreading) by Leucyl-tRNA Synthetase Revealed by QM/MM Molecular Dynamics Simulations2009

    • Author(s)
      Tateno, M., et.al.
    • Organizer
      Biophysical Society 53rd Annual meeting
    • Place of Presentation
      ボストン(アメリカ合衆国)
    • Year and Date
      20090301-05
  • [Presentation] Computational analyses of enzymatic reaction mechanism by molecular docking and QM/MM-MD simulations2008

    • Author(s)
      Hagiwara, Y., et.al.
    • Organizer
      第31回日本分子生物学会年会第81回日本生化学大会合同大会
    • Place of Presentation
      神戸国際会議場(兵庫県)
    • Year and Date
      20081209-12
  • [Presentation] Development of QM/MM molecular dynamics program including an accurate and effective description of van der Waals interactions2008

    • Author(s)
      Tateno, M., et.al.
    • Organizer
      第31回日本分子生物学会年会第81回日本生化学大会合同大会
    • Place of Presentation
      神戸国際会議場(兵庫県)
    • Year and Date
      20081209-12
  • [Presentation] Novel mathematical formulation to describe steady state reactions in in tracellular sienaline network cascade2008

    • Author(s)
      Nishimura, T., et.al.
    • Organizer
      第31回日本分子生物学会年会第81回日本生化学大会合同大会
    • Place of Presentation
      神戸国際会議場(兵庫県)
    • Year and Date
      20081209-12
  • [Presentation] 金属結合タンパク質の活性部位に対する遠距離静電相互作用が与える影響に関する計算科学的解析2008

    • Author(s)
      Kang, J., et.al.
    • Organizer
      第31回日本分子生物学会年会第81回日本生化学大会合同大会
    • Place of Presentation
      神戸国際会議場(兵庫県)
    • Year and Date
      20081209-12
  • [Presentation] 水素結合ネットワークの情報学的探索に基づくタンパク質ドッキングの新規スキーム2008

    • Author(s)
      Fukunishi, H., et.al.
    • Organizer
      第31回日本分子生物学会年会第81回日本生化学大会合同大会
    • Place of Presentation
      神戸国際会議場(兵庫県)
    • Year and Date
      20081209-12
  • [Presentation] 分子ドッキングおよびQM/MM分子動力学シミュレーションによる酵素反応機構の理論的解析2008

    • Author(s)
      Hagiwara, Y., et.al.
    • Organizer
      日本生物物理学会第46回年会
    • Place of Presentation
      福岡国際会議場(福岡県)
    • Year and Date
      20081203-05
  • [Presentation] 高速かり高精度なvan der Waals相互作用計算スキームを含むQM/MM-MD計算プログラムの開発2008

    • Author(s)
      Tateno, M., et.al.
    • Organizer
      日本生物物理学会第46回年会
    • Place of Presentation
      幅岡国際会議場(福岡県)
    • Year and Date
      20081203-05
  • [Presentation] Computer simulation and theoretical formulation of stimulus/response relationships of intracellular signaling network cascades2008

    • Author(s)
      Nishimura, T., et.al.
    • Organizer
      日本生物物理学会第46回年会
    • Place of Presentation
      福岡国際会議場(福岡県)
    • Year and Date
      20081203-05
  • [Presentation] Effects of long-range electrostatic interactions in QM/MM calculations onto active sites of metal-binding enzymes2008

    • Author(s)
      Kang, J., et.al.
    • Organizer
      日本生物物理学会第46回年会
    • Place of Presentation
      福岡国際会議場(福岡県)
    • Year and Date
      20081203-05
  • [Presentation] Novel scheme for protein docking based on informatical complete search of intermolecular hydrogen bond networks2008

    • Author(s)
      Fukunishi, H., et.al.
    • Organizer
      日本生物物理学会第46回年会
    • Place of Presentation
      福岡国際会議場(福岡県)
    • Year and Date
      20081203-05
  • [Presentation] Computational investigations of mechanisms of enzymatic reaction by using QM/MM molecular dynamics simulations2008

    • Author(s)
      Tateno, M., et.al.
    • Organizer
      International Conference on Quantum Simulators and Design, 2008
    • Place of Presentation
      日本科学未来館(東京都)
    • Year and Date
      20080531-0603
  • [Presentation] Development of QM/MM molecular dynamics scheme enabling to accurately and effectively evaluate van der Waals interactions2008

    • Author(s)
      Hagiwara, Y., et.al.
    • Organizer
      International Conference on Quantum Simulators and Design 2008
    • Place of Presentation
      日本科学未来館(東京都)
    • Year and Date
      20080531-0603
  • [Presentation] Computational study of metal binding sites of biological macromolecules by using QM/MM calculations2008

    • Author(s)
      Ohta, T., et.al.
    • Organizer
      International Conference on Quantum Simulators and Design 2008
    • Place of Presentation
      日本科学未来館(東京都)
    • Year and Date
      20080531-0603

URL: 

Published: 2010-06-11   Modified: 2016-04-21  

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