蛋白質水和理論の新機軸：自己組織化および秩序化過程の統一的解明

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25291035
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 木下 正弘 京都大学, エネルギー理工学研究所, 教授 (90195339)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 自己組織化 / 構造形成 / フォールディング / 分子認識 / ATP駆動蛋白質 / 水和 / エントロピー / 積分方程式論

Outline of Annual Research Achievements

（１）アミノ酸置換や、種々の糖・種々の1価および多価アルコール・尿素などの共溶媒を添加した場合に生じる熱変性温度Tmの上昇あるいは低下の度合いを定量的に予測できる統計熱力学理論を構築し、実験データとの比較によってその有効性を検証した。多重アミノ酸置換に対しては、有名な予測法FOLD-Xよりも優れた予測性能を有することを示した。同じモル濃度で比較すると、1価アルコールではTmは低下しその度合いはアルコール分子中の疎水基が大きいほど大きいこと、多価アルコールではTmは上昇しその度合いはアルコール分子中のOH基の数が多いほど大きいこと、糖ではTmは上昇しその度合いはグルコースよりもスクロースの方が大きいことを見事に説明できた。
（２）アクチンとミオシンの強結合過程を独自の統計熱力学理論を用いて解析し、以下の結果を得た：アクチン－ミオシン間の静電引力およびファン・デル・ワールス引力相互作用の獲得によって大きなエネルギー低下が生じるが、アクチン－水およびミオシン－水間の静電引力およびファン・デル・ワールス引力相互作用の喪失による遥かに大きなエネルギー上昇が生じる；エネルギー上昇の約半分は、結合に伴って解放される水の再構造化によるエネルギー低下で相殺される；それでも、トータルのエネルギー変化は正であり、結合を妨げる；結合は、水の並進配置エントロピーの大幅な利得によって推進される；アクチンとミオシンの構造エントロピー損失を加味しても、トータルのエントロピー変化は正である。結合がエントロピー駆動であることは実験結果と一致する。
（３）水の並進配置エントロピー効果の生体分子－水間多体相関成分を主軸とした統計熱力学理論により、数多くの自己組織化過程を統一的に説明することができた。ATP駆動蛋白質の機能発現機構に対し、ATP加水分解サイクルの役割に関する斬新な考え方を用い、水を主役とした独特の理論的枠組みを構築した。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Causes of Carryover

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Expenditure Plan for Carryover Budget

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] A Highly Efficient Method for Calculating the Hydration Free Energy of a Protein (2016)
  • Author(s): H. Oshima and M. Kinoshita
  • Journal Title: Journal of Computational Chemistry Volume: 37 Pages: 712-723
  • DOI: 10.1002/jcc.24253
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Dynamics of the Entropic Insertion of a Large Sphere into a Cylindrical Vessel in Solvent (2016)
  • Author(s): R. Hara, K. Amano, M. Kinoshita, and A. Yoshimori
  • Journal Title: Journal of Chemical Physics Volume: 144 Pages: 105103 (1-7)
  • DOI: 10.1063/1.4943394
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Effects of Monohydric Alcohols and Polyols on the Thermal Stability of a Protein (2016)
  • Author(s): S. Murakami and M. Kinoshita
  • Journal Title: Journal of Chemical Physics Volume: 144 Pages: 125105(1-10)
  • DOI: 10.1063/1.4944680
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] An Accurate and Efficient Computation Method of the Hydration Free Energy of a Large, Complex Molecule (2015)
  • Author(s): T. Yoshidome, T. Ekimoto, N. Matubayasi, Y. Harano, M. Kinoshita, and M. Ikeguchi
  • Journal Title: Journal of Chemical Physics Volume: 142 Pages: 175101(1-11)
  • DOI: 10.1063/1.4919636
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Physicochemical Origin of High Correlation between Thermal Stability of a Protein and its Packing Efficiency: A Theoretical Study for Staphylococcal Nuclease Mutants (2015)
  • Author(s): K. Oda and M. Kinoshita
  • Journal Title: Biophysics and Physicobiology Volume: 12 Pages: 1-12
  • DOI: 10.2142/biophysico.12.0_1
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Penetration of Platinum Complex Anions into Porous Silicon: Anomalous Behavior Caused by Surface-Induced Phase Transition (2015)
  • Author(s): A. Koyama, K. Fukami, T. Sakka, T. Abe, A. Kitada, K. Murase, and M. Kinoshita
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry C Volume: 119 Pages: 19105-19116
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b03852
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] On the Physics of Thermal-Stability Changes upon Mutations of a Protein (2015)
  • Author(s): S. Murakami, H. Oshima, T. Hayashi, and M. Kinoshita
  • Journal Title: Journal of Chemical Physics Volume: 143 Pages: 125102(1-13)
  • DOI: 10.1063/1.4931814
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Mechanism of One-to-Many Molecular Recognition Accompanying Target-Dependent Structure Formation: For the Tumor Suppressor p53 Protein as an Example (2015)
  • Author(s): T. Hayashi, H. Oshima, S. Yasuda, and M. Kinoshita
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry B Volume: 119 Pages: 14120-14129
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.5b08513
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Identification of thermostabilizing mutations for membrane proteins: Rapid method based on statistical thermodynamics (2016)
  • Author(s): S. Yasuda, Y. Kajiwara, Y. Takamuku, N. Suzuki, T. Murata, and M. Kinoshita
  • Organizer: Joint Workshop on Chirality in Chiba University (WCCU) and on Soft-Molecule Activation
  • Place of Presentation: 千葉大学
  • Year and Date: 2016-03-17
• [Presentation] Identification of thermostabilizing mutations for membrane proteins: Rapid method based on statistical thermodynamics (2016)
  • Author(s): S. Yasuda, Y. Kajiwara, Y. Takamuku, N. Suzuki, T. Murata, and M. Kinoshita
  • Organizer: The 1st Symposium of Chiral Molecular Science & Technology in Chiba University -Advanced Materials Science, Biology & Nanophotonics in Chiba
  • Place of Presentation: 千葉大学
  • Year and Date: 2016-02-29
• [Presentation] Expression, purification and crystallization of 5-HT2A receptor (2016)
  • Author(s): N. Suzuki, A. Saito, K. Hitomi, K. Mizutani, Y. Kajiwara, S. Yasuda, M. Kinoshita, and T. Murata
  • Organizer: Identification of thermostabilizing mutations for membrane proteins: Rapid method based on statistical thermodynamics
  • Place of Presentation: 千葉大学
  • Year and Date: 2016-02-29
• [Presentation] Essential roles of water in actin-myosin binding (2016)
  • Author(s): H. Oshima, T. Hayashi, M. Kinoshita
  • Organizer: Biophysical Society 60th Annual Meeting
  • Place of Presentation: Los Angeles Convention Center, California, USA
  • Year and Date: 2016-02-27 – 2016-03-02
• [Presentation] タンパク質の水和自由エネルギーの高速計算法の開発 (2015)
  • Author(s): 尾嶋拓
  • Organizer: 鳩山サイエンスフォーラム in 北千住
  • Place of Presentation: 東京電機大学東京千住キャンパス
  • Year and Date: 2015-12-19
• [Presentation] Mechanism of one-to-many molecular recognition accompanying target-dependent structure formation: For the tumor suppressor p53 protein (2015)
  • Author(s): T. Hayashi, H. Oshima, S. Yasuda, and M. Kinoshita
  • Organizer: PACIFICHEM2015
  • Place of Presentation: Hawaii Convention Center
  • Year and Date: 2015-12-14 – 2015-12-21
• [Presentation] Effects of cosolvent addition on the thermal stability of a protein (2015)
  • Author(s): S. Murakami and M. Kinoshita
  • Organizer: PACIFICHEM2015
  • Place of Presentation: Hawaii Convention Center
  • Year and Date: 2015-12-14 – 2015-12-21
• [Presentation] Theoretical prediction of mutations leading to enhanced structural stability of GPCRs (2015)
  • Author(s): Y. Kajiwara, S. Yasuda, Y. Takamuku, N. Suzuki, T. Murata, and M. Kinoshita
  • Organizer: PACIFICHEM2015
  • Place of Presentation: Hawaii Convention Center
  • Year and Date: 2015-12-14 – 2015-12-21
• [Presentation] Expression, purification and crystallization of 5-HT2A receptor (2015)
  • Author(s): N. Suzuki, A. Saito, K. Hitomi, Y. Takamuku, K. Mizutani, Y. Kajiwara, S. Yasuda, M. Kinoshita, and T. Murata
  • Organizer: GPCR workshop 2015
  • Place of Presentation: Big island, Hawaii (USA)
  • Year and Date: 2015-12-01 – 2015-12-05
• [Presentation] Development of thermostabilization method by mutation for GPCR: I. Theoretical prediction on the basis of statistical thermodynamics (2015)
  • Author(s): S. Yasuda, Y. Kajiwara, Y. Takamuku, N. Suzuki, T. Murata, and M. Kinoshita
  • Organizer: GPCR workshop 2015
  • Place of Presentation: Big island, Hawaii (USA)
  • Year and Date: 2015-12-01 – 2015-12-05
• [Presentation] Development of thermostabilization method by mutations for GPCR: II. Experimental verification of the theoretical prediction (2015)
  • Author(s): Y. Takamuku, S. Yasuda, Y. Kajiwara, N. Suzuki, M. Kinoshita, and T. Murata
  • Organizer: GPCR workshop 2015
  • Place of Presentation: Big island, Hawaii (USA)
  • Year and Date: 2015-12-01 – 2015-12-05
• [Presentation] Towards structure determination of the human prostanoid receptor bound to the antibody (2015)
  • Author(s): Y. Toyoda, K. Morimoto, R. Suno, Y. Sekiguchi, K. Yamashita, K. Hirata, S. Yasuda, Y. Kajiwara, T. Shimizu, Y. Urushibata, S. Yoshida, T. Kuribara, T. Hosoya, M. Kinoshita, Y. Sugimoto, N. Nomura, T. Murata, K. Takayama, M. Yamamoto, S. Narumiya, S. Iwata, and T. Kobayashi
  • Organizer: GPCR workshop 2015
  • Place of Presentation: Big island, Hawaii (USA)
  • Year and Date: 2015-12-01 – 2015-12-05
• [Presentation] On the statistical thermodynamics of actin polymerization in aqueous solution (2015)
  • Author(s): T. Hayashi, H. Oshima, and M. Kinoshita
  • Organizer: 第53回 日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス
  • Year and Date: 2015-09-13 – 2015-09-15
• [Presentation] Prediction of thermostabilizing mutations for G protein-coupled receptors: Development of free-energy function (2015)
  • Author(s): S. Yasuda, Y. Kajiwara, Y. Takamuku, N. Suzuki, T. Murata, and M. Kinoshita
  • Organizer: 第53回 日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス
  • Year and Date: 2015-09-13 – 2015-09-15
• [Presentation] Effects of cosolvent addition on the thermal stability of a protein (2015)
  • Author(s): S. Murakami and M. Kinoshita
  • Organizer: 第53回 日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス
  • Year and Date: 2015-09-13 – 2015-09-15
• [Presentation] Prediction of thermostabilizing mutations for G protein-coupled receptors: Construction of an efficient method (2015)
  • Author(s): Y. Kajiwara, S. Yasuda, Y. Takamuku, N. Suzuki, T. Murata, and M. Kinoshita
  • Organizer: 第53回 日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス
  • Year and Date: 2015-09-13 – 2015-09-15
• [Presentation] A theoretical analysis on water roles in actin-myosin binding (2015)
  • Author(s): H. Oshima, T. Hayashi, M. Kinoshita
  • Organizer: 第53回 日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス
  • Year and Date: 2015-09-13 – 2015-09-15
• [Presentation] 溶媒エントロピーの多体相関成分の蛋白質安定性への影響 (2015)
  • Author(s): 尾嶋拓
  • Organizer: 九大物性理論研究室・統計物理学研究室合同セミナー
  • Place of Presentation: 九州大学箱崎キャンパス
  • Year and Date: 2015-06-27 – 2015-06-28
• [Book] Mechanism of Functional Expression of the Molecular Machine (2016)
  • Author(s): Masahiro KINOSHITA
  • Total Pages: in press
  • Publisher: Springer
• [Remarks] 木下正弘研究室
  • URL: http://www.iae.kyoto-u.ac.jp/centerbunya/kinoshita
• [Patent(Industrial Property Rights)] 膜タンパク質の熱安定化変異体予測装置，熱安定化変異体予測方法，および，プログラム (2015)
  • Inventor(s): 村田武士，木下正弘，安田賢司，他4名
  • Industrial Property Rights Holder: 村田武士，木下正弘，安田賢司，他4名
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: PCT/JP2015/068277
  • Filing Date: 2015-06-24
  • Overseas