2013 Fiscal Year Research-status Report
水が誘起するタンパク質エネルギーゆらぎのパスウェイ解析
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23651202
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
松林 伸幸 京都大学, 化学研究所, 准教授 (20281107)
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| Keywords | ゆらぎ / パスウェイ / 自由エネルギー / 分子シミュレーション / 分布関数 / 構造エネルギー / 生体分子 / 相関 |
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| Research Abstract |
タンパク質の構造ゆらぎに応じて、タンパク質の分子内構造エネルギーと溶媒和自由エネルギーもゆらぐ。これらのエネルギーゆらぎを、相互作用成分ごとに分割して相関解析を行うことが本研究の目的である。タンパク質としてhorse heart cytochrome cを用いている。溶媒は、純水だけではなく、尿素ー水混合溶媒も検討している。力場（モデルポテンシャル関数）はAMBERであり、自由エネルギー計算はエネルギー表示法を用いる。尿素については、水との混合の熱力学挙動が優れているKBFFモデルを今年度から用いており、AMBERでの結果と合わせて力場依存しない結果を取り出す。前年度までに、タンパク質分子構造のゆらぎに伴う水和自由エネルギーのゆらぎが、溶質ー溶媒相互作用のゆらぎに強く相関し、さらに、純水から尿素ー水混合溶媒への移行の場合にも、移行自由エネルギーと移行エネルギーが強く相関することを明らかにした。自由エネルギーを、相互作用成分ごとの寄与に分割することは難しいが、エネルギーの分割は容易であるため、前年度までの結果に基づいて、エネルギーの相関を考察した。溶媒が純水の場合、エネルギーゆらぎを支配する成分は静電相互作用である。van der Waals相互作用は、ゆらぎ自体が、そもそも小さく、エネルギーゆらぎの立場から相関を解析する必要はなかった。静電相互作用は、主に、親水基が担っている。残基ごと・2次構造ごとに解析すると、空間的近接が重要な役割をすることが分った．純水から尿素ー水混合溶媒への移行の場合には、逆に、静電相互作用ではなく、van der Waals相互作用が支配的な寄与をすることを見出した。van der Waals成分は残基の種類に特異的な相互作用ではないが、移行のエネルギー論として捉えた場合、疎水基が新たに溶媒と相互作用をするために顕著な役割を果たす。
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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
horse heart cytochrome cの分子動力学シミュレーション（MD）を、純水および尿素ー水混合溶媒の２種類の溶媒中で行い、配座データを取り出し、それぞれの溶媒中での溶媒和自由エネルギーの全原子計算を行った。水も尿素分子も全原子レベルで考慮し、自由エネルギーの計算にはエネルギー表示法を用いた。自由エネルギーを、相互作用成分ごとの寄与に分割することは難しいが、エネルギーの分割は容易である。そこで、純水中におけるタンパク質の水和自由エネルギーのゆらぎと溶質ー溶媒相互作用のゆらぎの線形性、および、純水から尿素ー水混合溶媒への移行における自由エネルギーとエネルギーの線形性に基づいて、エネルギーの相関解析を行った．この相関解析では、溶質ー溶媒相互作用エネルギーの総和だけではなく、静電相互作用成分やvan der Waals相互作用成分への分割を行った。そのためのプログラムの開発を進め、残基ごとのエネルギー成分の計算を可能にした。プログラム開発と計算は、予定通りのスケジュールで進行した。計算により、溶媒が純水の場合、エネルギーゆらぎは静電相互作用成分に支配され、空間的に近接する残基・２次構造が重要な役割を担うことが分った．純水から尿素ー水混合溶媒への移行の場合には、静電相互作用ではなく、van der Waals相互作用が支配的である。静電相互作用成分とvan der Waals相互作用成分に加え、排除体積効果の検討も行った．排除体積効果は、溶媒が純水の場合はマイナーな役割しか果たさないことが分ったが、純水から尿素ー水混合溶媒への移行の場合には、より広いタンパク質の構造空間を探索しないと結論に至らないことが分った．排除体積効果の解析を静電相互作用やvan der Waals相互作用の解析を組合せるためのプログラムを開発し系統的な解析を行うことが繰越年度の目的である。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの解析は、溶媒和自由エネルギーと溶媒和エネルギーの相関関係に則って、溶媒和エネルギーの方を軸として行ってきた。さらに、溶媒和エネルギーを静電相互作用成分とvan der Waals相互作用成分に分割することで、エネルギーゆらぎを規定する相互作用成分を同定することもできた．溶媒和自由エネルギーと溶媒和エネルギーの相関関係からのずれをもたらすものが、排除体積効果である。溶媒が純水の場合、排除体積効果は、タンパク質の構造ゆらぎにほぼ無関係であることが見出されたため、ゆらぎの相関解析での役割はマイナーであった。これに対して、純水から尿素ー水混合溶媒への移行の場合、サンプリングが狭いタンパク質構造空間に限定された時は、純水系の場合と同様に、排除体積効果はマイナーであったが、（部分）変性に関わるような広いタンパク質構造空間を見ると、溶媒和自由エネルギーと溶媒和エネルギーの相関関係にずれをもたらす可能性があることが分った。繰越年度は、排除体積効果に重点を置く。排除体積効果は、溶媒和エネルギーから得ることができない。溶媒和自由エネルギーは、溶質―溶媒２体エネルギー上の積分として書かれるが、この積分を、大きな値以上のみに制限することで、排除体積効果を評価することができる。排除体積効果は、溶媒成分ごとの寄与の和に書き表すことができるので、純水から尿素ー水混合溶媒への移行の取り扱いでは、尿素からの寄与と水からの寄与に分割することができる。これに対して、残基ごと・２次構造ごとの和と表すことが、現状ではできないので、溶媒種への成分分割に基づく相関解析を行う。排除体積効果の計算を、静電相互作用成分およびvan der Waals相互作用成分を解析するためのプログラムに組み込み、これまでに用意したhorse heart cytochrome cの固定構造のセットの上での網羅的な解析を行う。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
２５年度に、純水溶媒および尿素ー水混合溶媒系におけるhorse heart cytochrome c の全原子分子動力学シミュレーションのトラジェクトリデータを用いて、エネルギーゆらぎの解析を行った。その際、静電相互作用成分とvan der Waals相互作用成分に加え、排除体積効果の検討も行った。排除体積効果は溶媒和エネルギーの一部ではなく、溶媒和自由エネルギーの汎関数の一部である。排除体積効果は、溶媒が純水の場合はマイナーな役割しか果たさないことが分ったが、純水から尿素ー水混合溶媒への移行の場合には、より広いタンパク質の構造空間を探索しないと結論に至らないことが分った。そこで、排除体積効果の解析を、静電相互作用成分やvan der Waals相互作用成分の解析と組合せるためのプログラムを開発し系統的な解析を行うことが必要となり、当初予定のプログラムに機能追加を行うこととしたため、未使用額が生じた。
これまでの研究経過で、horse heart cytochrome c の固定構造のセットを用意している。セット内の各構造について分子動力学シミュレーションを行い、シミュレーションの出力であるトラジェクトリを用いて解析を進めるとともに、排除体積効果の解析を、静電相互作用成分およびvan der Waals相互作用成分の解析に組み合わせたプログラムを作成する。網羅的なタンパク質構造の解析のために、大量のトラジェクトリデータを保存するハードディスクを消耗品として購入する。ハードディスクはRAID システム搭載型として、データの安全性を担保する。既存のファイルサーバーにも連結することで、これまでのトラジェクトリデータや解析データと一括して取り扱うことを可能にする。さらに、研究打合せのための旅費を使用することを予定している。プログラミングとシステム管理補助は大学院生1名と共同して行う。
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