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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Novel molecular design of flourophores by QM/MM molecular dynamics simulations

Research Project

Project/Area Number 20H02701
Research InstitutionInstitute of Physical and Chemical Research

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)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 花岡 健二郎  慶應義塾大学, 薬学部(芝共立), 教授 (70451854)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
KeywordsQM/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
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。
これまでに、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。昨年度は、この研究成果をまとめた論文がJACS誌に受理され、掲載された(JACS 2022, 144, 19778-19790.)。
また、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ている。その一環として、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。この成果を論文にまとめ、本年度中に投稿する予定である。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (18 results)

All 2023 2022

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 5 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 8 results)

  • [Journal Article] Allosteric regulation of β-reaction stage I in tryptophan synthase upon the α-ligand binding2023

    • Author(s)
      Ito Shingo、Yagi Kiyoshi、Sugita Yuji
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 158 Pages: 115101~115101

    • DOI

      10.1063/5.0134117

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Development of pathway-oriented screening to identify compounds to control 2-methylglyoxal metabolism in tumor cells2023

    • Author(s)
      Yanagi Kouichi、Komatsu Toru、Fujikawa Yuuta、Kojima Hirotatsu、Okabe Takayoshi、Nagano Tetsuo、Ueno Tasuku、Hanaoka Kenjiro、Urano Yasuteru
    • Journal Title

      Communications Chemistry

      Volume: 6 Pages: 68

    • DOI

      10.1038/s42004-023-00864-y

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] General Design Strategy to Precisely Control the Emission of Fluorophores via a Twisted Intramolecular Charge Transfer (TICT) Process2022

    • Author(s)
      Hanaoka Kenjiro、Iwaki Shimpei、Yagi Kiyoshi、Myochin Takuya、Ikeno Takayuki、Ohno Hisashi、Sasaki Eita、Komatsu Toru、Ueno Tasuku、Uchigashima Motokazu、Mikuni Takayasu、Tainaka Kazuki、Tahara Shinya、Takeuchi Satoshi、Tahara Tahei、Uchiyama Masanobu、Nagano Tetsuo、Urano Yasuteru
    • Journal Title

      Journal of the American Chemical Society

      Volume: 144 Pages: 19778~19790

    • DOI

      10.1021/jacs.2c06397

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Computational Analysis on the Allostery of Tryptophan Synthase: Relationship between α/β-Ligand Binding and Distal Domain Closure2022

    • Author(s)
      Ito Shingo、Yagi Kiyoshi、Sugita Yuji
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 126 Pages: 3300~3308

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.2c01556

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Folate receptor-targeted near-infrared photodynamic therapy for folate receptor-overexpressing tumors2022

    • Author(s)
      Aung Winn、Tsuji Atsushi B、Hanaoka Kenjiro、Higashi Tatsuya
    • Journal Title

      World Journal of Clinical Oncology

      Volume: 13 Pages: 880~895

    • DOI

      10.5306/wjco.v13.i11.880

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 創薬研究のための蛍光プローブの分子設計と活用方法2022

    • Author(s)
      花岡 健二郎
    • Journal Title

      MEDCHEM NEWS

      Volume: 32 Pages: 87~92

    • DOI

      10.14894/medchem.32.2_87

    • Open Access
  • [Presentation] QM/MM法の開発と生体分子の振動解析と化学反応への応用2022

    • Author(s)
      八木清
    • Organizer
      物性研短期研究会「理論タンパク質物性科学の最前線:理論と実験との密な協働」
    • Invited
  • [Presentation] 非断熱QM/MM分子動力学計算による光駆動タンパク質の反応ダイナミクス2022

    • Author(s)
      八木清
    • Organizer
      第20回「高速分子動画」オンラインセミナー
    • Invited
  • [Presentation] Development of QM/MM methods and applications to chemical reactions of biomolecules2022

    • Author(s)
      Kiyoshi Yagi
    • Organizer
      Tokyo Metropolitan University, Mini workshop
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Searching for the Structure of a Capped Pentapeptide, SIVSF, Using a Similarity Score of Infrared Spectra2022

    • Author(s)
      Kiyoshi Yagi
    • Organizer
      3rd International Symposium of JSPS Core-to-Core Program on “Molecular Recognition Mechanism between Flexible Molecules”
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] ケイ素置換キサンテン系蛍光色素の創製と蛍光プローブの開発2022

    • Author(s)
      花岡健二郎
    • Organizer
      第26回 ケイ素化学協会シンポジウム
    • Invited
  • [Presentation] 新規蛍光団の創製を基盤とした蛍光プローブの開発2022

    • Author(s)
      花岡健二郎
    • Organizer
      第9回バイオ関連化学シンポジウム若手フォーラム
    • Invited
  • [Presentation] 医療・創薬への応用を目指した蛍光プローブの創製2022

    • Author(s)
      花岡健二郎
    • Organizer
      未来医学研究会 マンスリーセミナー
    • Invited
  • [Presentation] 新規蛍光団の創製を基盤とした蛍光プローブの開発2022

    • Author(s)
      花岡健二郎
    • Organizer
      第22回ワークショップ:バイオイメージングの最前線 ー生体分子の可視化ー
    • Invited
  • [Presentation] ねじれ型分子内電荷移動(TICT)機構に基づく酵素活性検出蛍光プローブの開発2022

    • Author(s)
      杉本 瑞樹、佐々木 栄太、大野 久史、花岡 健二郎
    • Organizer
      第147回 日本薬理学会 関東部会
  • [Presentation] 細胞内オルガネラpHを定量可能なレシオ型pH蛍光プローブの開発2022

    • Author(s)
      野本 歩夢、花岡 健二郎、浦野 泰照
    • Organizer
      日本薬学会 第143年会
  • [Presentation] ねじれ型ローダミンを用いた有機小分子-タンパク質ハイブリッド型粘性検出蛍光プローブの開発2022

    • Author(s)
      榛葉 満理奈、佐々木 栄太、笠井 柊杜、花岡 健二郎
    • Organizer
      日本薬学会 第143年会
  • [Presentation] ねじれ型分子内電荷移動(TICT)機構に基づく酵素活性検出蛍光プローブの開発2022

    • Author(s)
      杉本 瑞樹、佐々木 栄太、大野 久史、花岡 健二郎
    • Organizer
      日本薬学会 第143年会

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Published: 2023-12-25  

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