2014 Fiscal Year Annual Research Report
共溶媒効果の全原子型自由エネルギー解析に基づくタンパク質構造論の展開
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26240045
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
松林 伸幸 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (20281107)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三本木 至宏 広島大学, 生物圏科学研究科, 教授 (10222027)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 溶媒和 / ゆらぎ / 構造エネルギー / 静電相互作用 / 分散引力 / 排除体積効果 / 分布関数理論 / 分子シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
タンパク質構造に対する共溶媒効果を、全原子モデルで解析することが、本研究の目的である。分子動力学シミュレーション（MD）とエネルギー表示溶液理論を組み合わせて、水和効果と共溶媒効果の自由エネルギー解析を行う。自由エネルギーを構成する相互作用成分（水素結合・分散引力・排除体積効果など）の中から、効率的なタンパク質構造変化を導く成分を同定し、共溶媒によってタンパク質構造を制御するための指針を策定する。本年度は、計算条件の設定を行った。これまでの予備計算で、エネルギー表示法を用いた場合、1 ns程度のMDで自由エネルギーが収束することが見出されていたが、タンパク質の構造サンプリングを長時間行うと、数nsのMDによってのみ自由エネルギーが収束する場合があった。これは、タンパク質に内部水がトラップした場合に相当する。内部水が存在する場合には、そのことをMDの初期条件に組み込むことで、1 ns程度のMDで自由エネルギー計算が収束することを明らかにした。共溶媒効果の解析は、尿素から始めていてる。水ー尿素混合溶媒系でも、自由エネルギーの収束挙動を検討した。純水溶媒の場合と同様に、内部水の存在する場合、自由エネルギー評価には長時間のMDが必要とされ、内部水を組み込んだMDの初期条件を用いることで、網羅的解析を可能とする時間での自由エネルギー計算が可能になることを見出した。また、平衡条件におけるタンパク質の構造ゆらぎの解析から、構造効果（タンパク質の分子内効果）と水和効果（タンパク質と水の相互作用）が補償関係にあることを、これまでに見出してきた。この関係は、MDによる数値解析から示したものであったが、補償関係が成立するための数学的条件を明らかにした。構造効果と水和効果のゆらぎの範囲が同程度であり、構造効果と水和効果の和のゆらぎの範囲がはるかに小さい、という条件で補償関係が成り立つ。
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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
本研究の鍵を握る計算は、全原子モデルを用いたタンパク質丸ごとの自由エネルギー計算である。ここでは、エネルギー表示法を用いている。小分子やミセル・脂質膜で良好な結果を出すことが分っていたが、タンパク質構造に依存した溶媒和自由エネルギーを網羅的に計算するために、タンパク質を対象とする自由エネルギー計算のプロトコルの確立が必要とされる。２６年度に、プロトコルがほぼ確立されたと考えて良い。本研究では、cytochrome c群を対象としているが、それ以外のタンパク質も含めた、より一般的な条件の確立である。特に、内部水の問題は、当初予想していなかった問題であったが、内部水を組み込んだ初期条件の設定を行うことで、内部水が存在しない場合と同程度の計算時間で溶媒和自由エネルギーが収束することが分かった。これは、タンパク質をflexibleにしたMDおよびrigidにした自由エネルギー計算の組み合わせによって明らかになったものである。内部水の存在は、タンパク質の安定性に寄与するとされており、共溶媒の導入によって内部水がどのように振る舞うかは、タンパク質構造に対する共溶媒効果の自由エネルギー解析に必要な知見であると考えられる。本研究では、溶媒和自由エネルギーおよび移行自由エネルギーと、溶質ー溶媒相互作用エネルギーおよび移行エネルギーとの相関を考えることで、タンパク質構造変化と相互作用成分の関係を探っている。相互作用成分をさらに、静電相互作用やvan der Waals相互作用に分割するプログラムを開発するとともに、排除体積効果の計算を行うプログラムも作成し、静電相互作用、van der Waals相互作用、排除体積項をさらに、残基ごとや主鎖・側鎖に分割するプログラムも構成した。このプログラムを用いて、タンパク質構造を網羅的に変えた共溶媒効果の解析を現在行っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
タンパク質構造を網羅的に変えた共溶媒効果の解析を継続する。主に、水から尿素ー水混合溶媒への移行のエネルギー論に重点を置き、移行自由エネルギーを支配する相互作用成分を確定する。同時に、アルキル化尿素系の解析を進める。方法論は、２６年度とほぼ同様である。自由エネルギー計算のプロトコルは、そのまま使うことができる。タンパク質丸ごとの自由エネルギー計算であるため、多量の計算資源が必要となるが、研究室内のPCクラスタに加えて、外部のスパコンも用いる。基本的には、大量の計算を行いサンプル数を増やし、統計解析の精度を高める作業に相当する。また、共溶媒の種類を変えると、１つの相互作用成分だけが支配的な役割を果たすのではなく、複数の相互作用成分を用いた記述が必要とされる場面がある。このために、多変量統計解析を導入する準備を行っている。それぞれの相互作用成分の寄与の重み（決定係数）を決めたいと考えている。また、共溶媒の種類を増やすに従い、異なる変性剤で同じ構造変化を与える濃度の解析を行う。アルキル化尿素水溶液中でのタンパク質構造変化の度合いは、分散引力の強さと相関すると考えられるるが、構造変化タンパク質の体積や面積と分散引力の相関図を作成し、異なる変性剤が同じ構造変化を与える分散引力値を決める。理論グループと実験グループの議論は、これまで通り、定期的に行う。モノメチル尿素の変性効果については、既に詳細な打合せを行っており、他の共溶媒に関する議論を進める。特に、アルキル化尿素系だけではなく、共溶媒をアルコールやケトン・スルホキシド、塩とした場合の予備調査に着手する。この予備調査では、タンパク質から始めるのではなく、その構成要素となるアミノ酸アナログを対象とする。共溶媒の相互作用特性とアミノ酸アナログの疎水性／親水性との関係を、タンパク質に進む場合の基礎とする。
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