2021 Fiscal Year Annual Research Report
Novel molecular design of flourophores by QM/MM molecular dynamics simulations
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20H02701
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
八木 清 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (30401128)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
花岡 健二郎 慶應義塾大学, 薬学部(芝共立), 教授 (70451854)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | QM/MM計算 / 蛍光イメージング / タンパク質・リガンド相互作用 / 蛍光プローブ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
蛍光イメージングは、標的タンパク質を蛍光ラベル化することで、その細胞内動態の直接観察を可能にする、生命科学研究に必要不可欠な手法である。最近、タグタンパク質-蛍光プローブが新たなラベル化手法として注目を集めている。しかし、その光機能制御にはまだ課題があり、タグタンパク質-蛍光プローブの相互作用と光化学過程に対する基礎的な理解が求められている。本研究では、量子化学（QM）計算と分子力場（MM）を組み合わせたQM/MM法を用いて、タンパク質環境にある蛍光プローブの構造とダイナミクスを計算する。タンパク質と蛍光プローブはどのような結合状態を形成するのか？電子励起により、どのような構造変化が誘起されるのか？蛍光発光はどのような分子機構で起こるのか？計算化学と有機合成化学で共同し、これらの疑問に答える。得られた知見に基づき、タンパク質と特異的に結合し、発光する新規蛍光プローブを設計することを目的としている。
昨年度は、フェニルローダミンの消光機構を明らかにし、ハロアルカンデハロゲナーゼ酵素を改変したHalo-tagタンパク質と結合したときに発光する蛍光プローブを作成できた。また、並列計算によりQM/MM計算の性能が大幅に向上し、蛍光プローブ分子の電子励起状態ダイナミクス計算を高速に実行できるようになった。
本年度は以下の成果を得た。
1. これまでの研究成果を論文にまとめ、投稿した。現在、査読の結果待ちである。
2. Halo-tagタンパク質以外にも、様々なタンパク質を対象として計算を実行するためのワークフローを開発した。
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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
1. フェニルローダミンを骨格に持つ新規蛍光プローブの開発
ローダミンにフェニル基を導入したフェニルローダミンは無蛍光性であり、quencherとして利用されてきたが、その消光機構は明らかになっていなかった。我々は、フェニルローダミンの消光経路を阻害することで、タンパク質と結合したときだけに発光する蛍光プローブが作成できないかと考えた。まず、有機合成実験と量子化学計算で共同し、消光機構を調査し、ローダミンの持つキサンテンとフェニル基がなす2面角が回転した構造が安定であることが分かり、いわゆるtwisted intramolecular charge transfer (TICT)機構により消光すること分かった。さらに、HaloTagリガンドとフェニルローダミンを融合した分子を計算し、Halotagと結合することで、光励起後のTICTが立体障害により阻害される分子を求めた。実際にこの分子を合成し、HaloTagと結合することで蛍光発光することを示した。この成果を論文にまとめ投稿中である。
2.高速QM/MM法の開発と蛍光分子デザインワークフローの確立
本研究の肝は、フェニルローダミンと標的タンパク質の相互作用を制御することである。これは、タンパク質を認識するリガンドと蛍光プローブを繋ぐリンカーによってなされるが、リンカーの効果は実験的なtry and errorによって調べられ、大変な労力が必要だった。そこで、リンカーの効果を計算により網羅的に調べるワークフローを確立する。我々は、量子化学計算プログラムQSimulateとMD計算プログラムGENESISを組み合わせ、高い並列性を持つ高速QM/MM計算を可能にした。この方法と並列計算機（スパコン）を用いて、与えられた標的タンパク質に対し、有効な蛍光プローブをデザインすることができる。
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| Strategy for Future Research Activity |
開発したGENESIS/QSimulateによるQM/MM計算を用いて、励起状態のおける構造変化に必要な自由エネルギー変化を計算する。また、リンカーの種類を変え、分子モデル作成・ドッキング・QM/MM計算、という一連のワークフローを完成させる。また、有機合成化学からのアプローチとして、これまでに開発しているHaloTag・蛍光プローブ（HaloTag蛋白質との結合によって蛍光上昇を示すものと示さないものの両方）について、詳細な光化学的特性を精査し、計算の最適化に役立てる。
これらの知見を蓄積し、最適な分子構造の蛍光プローブを計算により予測し、有機化学的に合成し、その機能を評価する。
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