量子化学計算による原始RNAのL-アミノ酸選択的アミノアシル化の分子機構解明

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K06592
• Research Institution: Tokyo University of Science
• Principal Investigator: 安藤 格士 東京理科大学, 基礎工学部電子応用工学科, 講師 (30385546)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 量子化学計算 / 分子動力学計算 / アミノ酸キラル選択性

Outline of Annual Research Achievements

「アミノ酸にはL型とD型の光学異性体が存在するが、なぜ現在の生物はL-アミノ酸のみを利用しタンパク質を合成するのか？」これは生命進化の大きな謎の一つである。興味深いことに、原始的なRNA分子では、L-アミノ酸が優先的に結合（アミノアシル化）されることがわかっており、これがアミノ酸キラル選択の起源となった可能性がある。しかし、その機構は未解明である。本研究では、事前の分子動力学計算で得られたアミノアシル化反応直前と考えられるRNAの構造をスタートとし、量子化学、分子動力学のハイブリッド計算にアンブレラ・サンプリング法を適用することにより、D/L-アミノ酸のそれぞれの系でアミノアシル化反応に必要な自由エネルギーを算出し、その結果を基に構造学的、エネルギー論的な視点からキラル選択メカニズムを解明することを目的としている。
本年度はアンブレラ・サンプリングの条件の検討を行った。適切な反応座標の設定、アンブレラ・ポテンシャルの強さ、分割数、サンプリングの長さに関して、おおよそ検討をすることができた。統計的に信頼性の高いデータではないものの、求核攻撃をするリボースの3’酸素原子と攻撃を受けるカルボニル炭素原子との距離(d1)と、このカルボニル炭素原子とこれに結合しているリン酸エステルの酸素原子との距離(d2)との差d2-d1を反応座標とすることで、計算上でアミノアシル化反応が起きることを確認した。また、初期構造の設定から自由エネルギー算出までの一連の計算を、ほぼ自動で実行可能とするプログラムの作成も行った。現段階で公にできる計算データはそろっていないものの、次年度以降に大量の計算を行うための準備が整いつつある。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2020年度の研究実施計画は、アンブレラ・サンプリング法の条件検討であった。年度の前半は新型コロナウイルス感染症への対応のため研究が滞っていたものの、年度の後半は大きな問題も生じずに研究を進めることができ、当初の計画をおおよそ遂行することができた。本申請課題の補助金で購入した計算機で、複数の条件を同時に、かつ一連の計算をほぼ自動で実行可能な状態となっている。現在の状況であれば、2021年度の前半の早くに、アンブレラ・サンプリング法の条件検討に関しては終了できるものと予想される。

Strategy for Future Research Activity

計算条件もある程度絞り込みが完了し、一連の計算もほぼ自動でできる状態となった。今後は、一つの初期構造から統計的に信頼性の高い自由エネルギー・プロファイルを算出できる手法を確立することを最優先の課題とし、研究を進める。その後、事前の分子動力学計算で得られているD-、L-アミノ酸の結合したアミノアシル化反応前と考えられる各種RNAの初期構造に対し、本研究で確立した手法を適用し、自由エネルギー・プロファイルを得る。また、計算で得られた反応スキームが、化学的な視点からみても妥当であるのかを検討する。化学的に妥当性が低いと考えられる計算結果の場合、反応座標、溶媒の扱い、量子計算領域等の計算条件を、有機化学を専門とする研究者とも相談し再検討する。