| 研究領域 | 高速分子動画法によるタンパク質非平衡状態構造解析と分子制御への応用 |
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| 研究課題/領域番号 |
20H05453
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| 研究種目 |
新学術領域研究(研究領域提案型)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
複合領域
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| 研究機関 | 国立研究開発法人理化学研究所 |
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研究代表者 |
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)
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| 研究分担者 |
庄司 光男 筑波大学, 計算科学研究センター, 教授 (00593550)
篠田 恵子 統計数理研究所, ものづくりデータ科学研究センター, 特任助教 (80646951)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
83,200千円 (直接経費: 64,000千円、間接経費: 19,200千円)
2023年度: 20,800千円 (直接経費: 16,000千円、間接経費: 4,800千円)
2022年度: 20,800千円 (直接経費: 16,000千円、間接経費: 4,800千円)
2021年度: 20,800千円 (直接経費: 16,000千円、間接経費: 4,800千円)
2020年度: 20,800千円 (直接経費: 16,000千円、間接経費: 4,800千円)
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| キーワード | タンパク質 / 分子動力学シミュレーション / 量子古典混合計算 / 動的構造解析 / 化学反応解析 / プロトン化 / 可視紫外吸収スペクトル帰属 / タンパク質-膜間相互作用 / シミュレーション / ハイブリッドアプローチ / 構造解析 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
時分割シリアルフェムト秒結晶構造解析(SFX)法による「高速分子動画」は、原子分解能で数10フェムト秒からミリ秒までの構造変化を捉える手法である。一方でSFXのデータは、多数のタンパク質分子の平均構造であり、また、電子状態などの詳細を知ることは困難である。本研究では量子古典混合計算による複雑な化学反応解析や、高精度力場を用いた大規模長時間シミュレーション、実験データとシミュレーションを融合させるハイブリッドアプローチなどの多角的な理論研究アプローチを活用することにより、反応の時間・空間・エネルギーに関する詳細な情報を得ることで、タンパク質の動的構造変化とその化学反応機構を解き明かす。
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| 研究実績の概要 |
時分割SFX実験のデータ解析を支援するための新しいソフトウェアを開発した。このツールは、SFX実験データからの差電子密度マップ作成やマップの解析による動きの大きい残基の特定、さらに構造変化の時間発展を可視化する機能を提供することで観測データからタンパク質内の構造変化を理解することを支援する。また、XFEL単粒子観測の多量の散乱パターンから画像自己相関に関する統計量を取得し、それをもとに3次元構造を推定する新しいアルゴリズムを開発した。また、クライオ電子顕微鏡画像データから観測対象分子の構造多形を評価するハイブリッドモデリングアプローチを開発した。
銅含有アミン酸化酵素の還元的半反応最終中間状態（セミキノンラジカル状態）を高分解能で構造解析がなされたため、プロトン化状態及び吸収スペクトル帰属について電子状態解析を実施した。タンパク質に結合した金属錯体の光反応解析についても理論解析を進め、光反応過程に現れる中間状態の構造と安定性を解析した。領域内他班との研究連携も進展し、理論解析を実施した。反応解析で培ったアルゴリズムを応用することで、アミノ酸のキラリティ起源及びキラリティ増幅についての理論解析が可能になった。
実験グループとの共同研究において、実験で用いた膜と同じ脂質組成の大腸菌膜や乳酸菌膜を構築し、それらに埋め込まれた膜輸送体LmrAやMsbA、MSFのMDシミュレーションを実施した。LmrAではNaイオンの輸送に関与するアミノ酸の同定に貢献し、MsbAでは基質lipidAの輸送メカニズムに膜脂質が関わっていることを示した。MSFでは、基質の結合により引き起こされるヘリックス間相互作用の変化が基質の輸送能に影響を与えることを見出し、その知見を用いた高輸送能変異体予測に成功し論文化した。
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| 現在までの達成度 (段落) |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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