水素・プロトンまでを含む蛋白質原子モデルの量子化学計算による構築法の開発

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20K06503
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 恒川 直樹 東京大学, 定量生命科学研究所, 特任研究員 (90638800)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 水素結合 / プロトン移動 / タンパク質 / 量子化学計算 / 密度汎関数法 / 大域的探索

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、量子化学計算での網羅的なエネルギー比較による水素・プロトンの位置の決定を目標とした解析方法およびツールの開発を実施してきた。実際、ナトリウムポンプやカルシウムポンプの膜領域イオン結合部位およびその周辺の水素・プロトンの位置決定やプロトンの有無の決定に有効な判断情報を提供できることを示した。
しかし、この手法の限界も明らかとなった。当然ではあるが、推測される水素結合の有無や水素・プロトンの位置は、水素以外の原子の位置に大きく影響する。つまり、実験で得られた原子モデルの正確性に依存する。蛋白質分子のX線結晶解析による構造決定において、得られる原子モデルの信頼度が低い時こそ水素結合の有無の情報を切望するが、その需要に十分に応えられないという事態に陥る。この問題に対する解決方法は、水素原子以外の原子を含めた量子化学計算による構造最適化を実施することであるが、より膨大な計算リソースを必要とし、本研究の戦略から逸脱するものである。
また、結晶解析において電気陰性度が低い原子（酸素など）の距離が極端に低く、低障壁水素結合(LBHB)の存在を示す原子モデルに遭遇することもある。かつ、その様なLBHBの存在を示唆する原子モデルは稀なものではない。LBHBを再現するには、今回の研究で採用したB3LYP/6-31G(d)レベルより正確な量子化学計算を必要とするであろうが、そのような高レベルの網羅的エネルギー比較は現時点では非現実的と考える。
本研究で開発してきた手法は、構造最適化を水素・プロトンに限定することで、エネルギー比較を実質的には水素結合エネルギーの比較に限定させて、その結果、必要とする量子化学計算のレベルをB3LYP/6-31G(d)に抑えても構わないということを示した。しかし、水素原子以外の原子の最適化やLBHBが含まれる系の解析には実質的に有効とは言えない。