| Project Area | Non-equilibrium-state molecular movies and their applications |
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| Project/Area Number |
19H05781
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Complex systems
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| Research Institution | Tohoku University (2020)
Institute of Physical and Chemical Research (2019) |
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Principal Investigator |
南後 恵理子 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (90376947)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
清水 伸隆 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 教授 (20450934)
大和田 成起 公益財団法人高輝度光科学研究センター, XFEL利用研究推進室, 研究員 (90725962)
宮下 治 国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, 上級研究員 (10620528)
庄司 光男 筑波大学, 計算科学研究センター, 助教 (00593550)
篠田 恵子 東京大学, 先端科学技術研究センター, 特任助教 (80646951)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥203,060,000 (Direct Cost: ¥156,200,000、Indirect Cost: ¥46,860,000)
Fiscal Year 2021: ¥41,730,000 (Direct Cost: ¥32,100,000、Indirect Cost: ¥9,630,000)
Fiscal Year 2020: ¥35,620,000 (Direct Cost: ¥27,400,000、Indirect Cost: ¥8,220,000)
Fiscal Year 2019: ¥38,610,000 (Direct Cost: ¥29,700,000、Indirect Cost: ¥8,910,000)
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| Keywords | X線自由電子レーザー / 動的構造解析 / 蛋白質結晶構造解析 / X線溶液散乱 / シリアルフェムト秒結晶構造解析 / タンパク質ダイナミクス / 溶液散乱 / 構造モデリング |
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| Outline of Research at the Start |
X 線自由電子レーザー（XFEL）を用いたタンパク質構造解析法は、タンパク質が起こす素早い反応・構造変化を原子レベルまで捉えられる新たな手法として、国内外で非常に期待されている。本研究計画では、XFELによって多種多様なタンパク質の構造変化や反応過程を捉えるための技術開発を行う。本技術により、生体分子の機能やその機構に対する理解が飛躍的に深まると共に、構造情報に基づく生体分子制御の応用に貢献することが期待される。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題では、X線自由電子レーザー（XFEL）と計算科学の手法を用いて、タンパク質が機能する際の構造変化過程を高い空間・時間分解能で捉える技術開発を行う。当該年度の研究実績として、XFELを用いたタンパク質動的構造解析（時分割解析）については、紫外から近赤外に至る各種レーザー照射によって誘起される反応をターゲットとし、シリアルフェムト秒結晶構造解析とポンプ・プローブ法を組み合わせた技術の確立とその装置の開発を行った。また、XFELによる溶液散乱測定系構築のための環境整備とテスト測定を実施した。データ処理方法の構築を進めると共に、今後行う複合体形成実験系構築のための液体クロマトグラフシステムを導入した。計算科学を用いた手法においては、（１）XFEL時分割データからの構造モデリングに分子動力学法を活用する手法の開発、（２）酵素反応機構の理論解析、（３）古細菌膜に埋め込まれたバクテリオロドプシンの光反応過程の分子動力学シミュレーションの３つについて行った。（１）については、シミュレーションから得られる分子の運動と実験から得られている構造モデルや電子密度の詳細な比較を行い、アルゴリズム開発に資する情報を得た。（２）は、アミン酸化酵素であるサルコシンオシキダーゼの反応機構を理論解析し、フラビンによるアミン酸化の普遍的活性化機構を見出すに至った。（３）は、古細菌の細胞膜脂質に特有のL-glycerol結合を持つ脂質の高精度な分子力場を作成し、古細菌脂質二重膜でバクテリオロドプシンを囲んだリアリステックモデルを構築し、数マイクロ秒の分子動力学シミュレーションを実行し、XFEL時分割データとの比較を行った。
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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
XFELを用いたタンパク質動的構造解析（時分割解析）については、汎用的な試料輸送法の技術開発として、ベルトコンベア方式など新たな装置開発に取り組み、実際に開発した装置を用いてSACLAにて可視光励起によるポンプ・プローブ実験を実施し、検証を行った。また、XFELによる溶液散乱測定系の構築を行い、環境整備とテスト測定を実施した。特に、解析ソフトウェアの機能追加、高度化を進めると共に、今後行う複合体形成実験系構築のための整備を行った。XFEL時分割データからの構造モデリングに分子動力学法を活用する手法の開発では、シミュレーションから得られる分子の運動と実験から得られている構造モデルや電子密度の詳細な比較を行った。その結果、データの評価にはかなりの構造の不均一性を考慮する必要があることが示され、必要になる動的な構造分布をモデリングするアルゴリズムの開発を進めた。酵素反応機構の理論解析では、アミン酸化酵素であるサルコシンオシキダーゼの反応機構を理論解析し、フラビンによるアミン酸化の普遍的活性化機構を明らかにした。また、光合成集光アンテナ蛋白質の理論解析についてもA01との共同研究で進めている。古細菌膜に埋め込まれたバクテリオロドプシンの光反応過程の分子動力学シミュレーションでは、古細菌の細胞膜脂質に特有のL-glycerol結合を持つ脂質の高精度な分子力場を作成を完了した。また、古細菌脂質二重膜でバクテリオロドプシンを囲んだリアリステックモデルを構築し、数マイクロ秒の分子動力学シミュレーションを実行した。その結果、予備計算で行ったバクテリオロドプシン-生体モデル膜の不安定なシミュレーションとは異なり、安定なシミュレーションによるトラジェクトリを得た。
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| Strategy for Future Research Activity |
XFELによる溶液散乱測定技術開発については引き続き、標準試料を用いた検討を行い、測定方法の確立を目指す。また、液体クロマトグラフシステムも利用したオンライン試料導入システムの構築も進める。標準試料による検討後、実際の試料を用いて測定を行う際には、XFEL実験だけでなく、PF、SPring-8等の放射光ビームラインにおいても評価実験を進める。タンパク質動的構造解析法の装置・技術開発においては、近赤外線レーザーを用いた温度ジャンプ法による反応誘起システムを構築する。また、光励起や温度上昇などのレーザーによる反応励起について、試料に吸収された光子数や上昇した温度などを見積もり、試料の励起が目的の条件で正確に行われているかについて、検証を行う。なお、当該年度は計算科学分野の研究者が分担者として本班に参加したが、2020年度より独立した班として活動していく。
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