柔らかな分子がもたらす触媒活性の理解と設計

• 研究領域: 理論と実験の協奏による柔らかな分子系の機能の科学
• 研究課題/領域番号: 25104004
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 林 重彦 京都大学, 理学研究科, 教授 (70402758)
• 研究期間 (年度): 2013-06-28 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 50,830千円 (直接経費: 39,100千円、間接経費: 11,730千円); 2017年度: 9,750千円 (直接経費: 7,500千円、間接経費: 2,250千円); 2016年度: 9,750千円 (直接経費: 7,500千円、間接経費: 2,250千円); 2015年度: 9,750千円 (直接経費: 7,500千円、間接経費: 2,250千円); 2014年度: 9,750千円 (直接経費: 7,500千円、間接経費: 2,250千円); 2013年度: 11,830千円 (直接経費: 9,100千円、間接経費: 2,730千円)
• キーワード: 分子シミュレーション / 量子化学計算 / 分子動力学法 / ハイブリッド法 / シグナル伝達タンパク質 / 光受容体タンパク質 / 機能性有機分子集合体 / 酵素活性 / QM/MM 法 / 分子機能 / 酵素反応 / 超分子 / 膜輸送体 / イオン結合タンパク質 / 光受容タンパク質 / ハイブリッド QM/MM 法 / 光遺伝学 / 自己組織化分子 / 発光タンパク質 / 電子伝達タンパク質 / モータータンパク質 / 酵素設計

研究成果の概要

複雑分子系の有する柔軟性は、物質機能を構築する上で重要な特徴となっており、例えば生体機能おいては、高い物質認識と化学反応触媒活性を通した情報・エネルギー変換を可能にしている。本研究では、最近、我々により開発された、異なるスケールの現象の相関の記述を可能にする新規な分子シミュレーションの手法である QM/MM RWFE-SCF 法を用いて、生体分子や機能性有機分子集合体の分子機能における柔軟性の役割を明らかにした。更に、タンパク質系に関しては、変異体導入による構造変化を精度よく求めることにより、シグナル伝達タンパク質の腫瘍形成変異体の解析や光受容体タンパク質の色変異体の解析・設計を行った。

研究成果

• [雑誌論文] Atomistic modeling of alternating access of a mitochondrial ADP/ATP membrane transporter with molecular simulations (2017)
  • 著者名/発表者名: Koichi Tamura and Shigehiko Hayashi*
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 12 号: 7 ページ: e0181489-e0181489
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0181489
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A polyaromatic nanocapsule as a sucrose receptor in water (2017)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Yamashina, Munetaka Akita, Taisuke Hasegawa, Shigehiko Hayashi, and Michito Yoshizawa*
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 3 号: 8
  • DOI: 10.1126/sciadv.1701126
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] QM/MM geometry optimization on extensive free-energy surfaces for examination of enzymatic reactions and design of novel functional properties of proteins (2017)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi*, Yoshihiro Uchida, Taisuke Hasegawa, Masahiro Higashi, Takahiro Kosugi, and Motoshi Kamiya
  • 雑誌名: Annual Review of Physical Chemistry 巻: 63 号: 1 ページ: 135-154
  • DOI: 10.1146/annurev-physchem-052516-050827
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] ハイブリッド分子シミュレーションによるロドプシン光受容体の分子機能の理解と設計 (2017)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 雑誌名: 医学のあゆみ - 第5土曜特集号「生命現象を観る－革新的な構造生命科学が観せてくれる世界」 巻: 262 ページ: 552-558
• [雑誌論文] Photoactivation intermediates of a G-protein coupled receptor rhodopsin investigated by a hybrid molecular simulation. (2017)
  • 著者名/発表者名: Motoshi Kamiya and Shigehiko Hayashi*
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry B 巻: 121 号: 15 ページ: 3842-3852
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.6b13050
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] X-ray crystallographic structure of thermophilic rhodopsin: implications for high thermal stability and optogenetic function (2016)
  • 著者名/発表者名: Tsukamoto T, Mizutani K, Hasegawa T, Takahashi M, Honda N, Hashimoto N, Shimono K, Yamashita K, Yamamoto M, Miyauchi S, Takagi S, Hayashi S, Murata T, Sudo Y.
  • 雑誌名: J. Biol. Chem. 巻: in press 号: 23 ページ: 12223-12232
  • DOI: 10.1074/jbc.m116.719815
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Atomistic design of microbial opsin-based blue-shifted optogenetics tools (2015)
  • 著者名/発表者名: Kato HE, Kamiya M, Sugo S, Ito J, Taniguchi R, Orito A, Hirata K, Inutsuka A,Yamanaka A, Maturana AD, Ishitani R, Sudo Y, Hayashi S, Nureki O
  • 雑誌名: Nat Commun 巻: 6 号: 1 ページ: 7177-7177
  • DOI: 10.1038/ncomms8177
  • NAID: 120005745621
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Linear response path following: a molecular dynamics method to simulate global conformational changes of protein upon ligand binding (2015)
  • 著者名/発表者名: Koichi Tamura and Shigehiko Hayashi
  • 雑誌名: Journal of Chemical Theory and Computation 巻: 11 号: 7 ページ: 2900-2917
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.5b00120
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Molecular dynamics of channelrhodopsin at the early stages of channel opening (2015)
  • 著者名/発表者名: Mizuki Takemoto, Hideaki E. Kato, Michio Koyama, Jumpei Ito, Motoshi Kamiya, Shigehiko Hayashi, Andres D. Maturana, Karl Deisseroth, Ryuichiro Ishitani, and Osamu Nureki
  • 雑誌名: PLoS ONE 巻: 10 号: 6 ページ: 0131094-0131094
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0131094
  • NAID: 120005947158
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular mechanism of wide photoabsorption spectral shifts of color variants of human cellular retinol binding protein II (2015)
  • 著者名/発表者名: Cheng Cheng, Motoshi Kamiya, Yoshihiro Uchida, and Shigehiko Hayashi
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 137 号: 41 ページ: 13362-13370
  • DOI: 10.1021/jacs.5b08316
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Role of bulk water environment in regulation of functional hydrogen-bond network in photoactive yellow protein (2015)
  • 著者名/発表者名: Koichi Tamura and Shigehiko Hayashi
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry B 巻: 119 号: 51 ページ: 15537-15549
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.5b07555
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Converting a light-driven proton pump into a light-gated proton channel (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Inoue, T. Tsukamoto, K. Shimono, Y. Suzuki, S. Miyauchi, S. Hayashi, H. Kandori, Y. Sudo*
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 137 号: 9 ページ: 3291-3299
  • DOI: 10.1021/ja511788f
  • 査読あり
• [雑誌論文] Silencing neurons with light (2014)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 雑誌名: Science 巻: 344 号: 6182 ページ: 369-370
  • DOI: 10.1126/science.1253616
• [雑誌論文] Theoretical study on excited states of bacteriochlorophyll a in solutions with density functional assessment (2014)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Higashi, Takahiro Kosugi, Shigehiko Hayashi, and Shinji Saito
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry B 巻: 118 号: 37 ページ: 10906-10918
  • DOI: 10.1021/jp507259g
  • 査読あり
• [雑誌論文] Key Chemical Factors of Arginine Finger Catalysis of F1-ATPase Clarified by an Unnatural Amino Acid Mutation (2014)
  • 著者名/発表者名: Yukawa A, Iino R, Watanabe R, Hayashi S and Noji H
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 54 号: 2 ページ: 472-480
  • DOI: 10.1021/bi501138b
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Facile Catch and Release of Fullerenes Using a Photoresponsive Molecular Tube (2013)
  • 著者名/発表者名: N. Kishi, M. Akita, M. Kamiya, S. Hayashi, H. -F. Hsu, M. Yoshizawa
  • 雑誌名: Journal of the Arnerican Chemical Society 巻: 135 号: 35 ページ: 12976-12979
  • DOI: 10.1021/ja406893y
  • 査読あり
• [学会発表] 超分子カプセルの分子内包能と動的挙動 (2017)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦、吉沢道人
  • 学会等名: 日本化学会 第97春季年会 シンポジウム「複雑系のための分子科学―理論、計測、合成の連携で拓く柔らかな分子の新機能」
  • 発表場所: 日吉・神奈川
  • 年月日: 2017-03-16
  • 招待講演
• [学会発表] Understanding and designing color variants of retinal binding proteins by molecular simulations (2017)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: 253rd American Chemical Society National Meeting (San Francisco, USA)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Understanding and designing color variants of retinal binding proteins by molecular simulations (2017)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Telluride Science Research Center Workshop on “Protein Dynamics” (Telluride, USA)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Crucial Role of Protein Flexibility in Enzymatic Catalysis (2016)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Japan-France-Spain Joint-Symposium on Theoretical and Computational Science of Complex Systems
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 2016-10-26
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Crucial Role of Protein Flexibility in Enzymatic Catalysis (2016)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: The 16th KIAS Conference on Protein Structure and Function
  • 発表場所: ソウル・韓国
  • 年月日: 2016-09-21
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 柔らかいタンパク質の分子機能理解と設計 (2016)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 第10回分子科学討論会
  • 発表場所: 神戸・兵庫
  • 年月日: 2016-09-13
  • 招待講演
• [学会発表] Crucial Role of Protein Flexibility in Enzymatic Catalysis (2016)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: IAS Focused Program on “Molecular Machines of Life: Simulations Meets Experiment”
  • 発表場所: 香港・中国
  • 年月日: 2016-05-23
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Understanding and designing color variants of retinal biding proteins by molecular simulations (2015)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Pacifichem2015 Symposium “Chemistry and Applications of Retinal Proteins: From Microbes to Humans”
  • 発表場所: Honolulu, USA
  • 年月日: 2015-12-18
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Crucial Role of Protein Flexibility in Enzymatic Catalysis (2015)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Pacifichem2015 Symposium “Interplay between Chemistry and Dynamics in Biomolecular Machines”
  • 発表場所: Honolulu, USA
  • 年月日: 2015-12-16
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Role of Bound Water Molecules Inside Proteins in Their Functional Processes (2015)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 日本生物物理学会・シンポジウム “ポンプ、酵素、モーター、機能の鍵：pKa”
  • 発表場所: 金沢・石川
  • 年月日: 2015-09-13
  • 招待講演
• [学会発表] Crucial Role of Protein Flexibility in Enzymatic Catalysis (2015)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: IUPAC-2015 45th World Chemistry Congress
  • 発表場所: 釜山・韓国
  • 年月日: 2015-08-09
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 柔らかいタンパク質の分子機能の理解と設計 (2015)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 第 12 回 AMO 討論会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2015-06-19
  • 招待講演
• [学会発表] Atomistic Understanding and Design of Microbial Opsin-based Optogenetics Tools (2015)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Albany 2015: Conversation 19
  • 発表場所: Albany, USA
  • 年月日: 2015-06-09
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] タンパク質の pKa 制御とプロトン能動輸送の分子機構 (2015)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 分子研研究会「膜タンパク質内部のプロトン透過を考える」
  • 発表場所: 岡崎・愛知
  • 年月日: 2015-04-20
  • 招待講演
• [学会発表] Crucial Role of Protein Flexibility in Enzymatic Catalysis (2015)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: 4th Indo-German Meeting on Modeling of Chemical and Biological Reactivity (MCBR4)
  • 発表場所: Heidelberg, Germany
  • 年月日: 2015-02-23 – 2015-02-25
  • 招待講演
• [学会発表] 柔らかいタンパク質の分子機能の理解と設計 (2015)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 理研シンポジウム「生体分子系量子化学計算の最前線」
  • 発表場所: 和光・埼玉
  • 年月日: 2015-01-22 – 2015-01-23
  • 招待講演
• [学会発表] 柔らかいタンパク質の分子機能の理解と設計 (2014)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: CBI 学会 2014 年大会 プレナリーレクチャー
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2014-10-28 – 2014-10-30
  • 招待講演
• [学会発表] Understanding and Designing Color Variants of Retinal Biding Proteins by Molecular Simulations (2014)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: 16th International Conference on Retinal Proteins
  • 発表場所: 長浜・滋賀
  • 年月日: 2014-10-05 – 2014-10-10
  • 招待講演
• [学会発表] 柔らかいタンパク質の分子機能の理解と設計 (2014)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 第 14 回蛋白質科学会年会 公募型シンポジウム
  • 発表場所: 横浜・神奈川
  • 年月日: 2014-06-25 – 2014-06-27
  • 招待講演
• [学会発表] Catalytic mechanism of NTPases (2014)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Tokyo ATPase Workshop
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2014-06-02 – 2014-06-03
  • 招待講演
• [学会発表] Crucial Role of Protein Flexibility in Enzymatic Catalysis (2014)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Les Houches-TSRC Workshop on Protein Dynamics
  • 発表場所: Les Houches, France
  • 年月日: 2014-05-18 – 2014-05-23
  • 招待講演
• [学会発表] Crucial Role of Protein Flexibility in Enzymatic Catalysis (2014)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: CRC-EC Joint Symposium on Chemical Theory on Complex System
  • 発表場所: Atlanta, USA
  • 招待講演
• [学会発表] 柔らかいタンパク質の分子機能の理解と設計 (2014)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 自然科学研究機構計算科学研究センタースーパーコンピュータワークショップ 2014「計算化学の最新の成果と展開」
  • 発表場所: 岡崎・愛知
  • 招待講演
• [学会発表] 酵素機能における分子の柔らかさの役割 (2014)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 日本化学会第 94 春季年会中長期テーマシンポジウム「複雑系のための分子科学－理論研究によるアプローチ」
  • 発表場所: 名古屋・愛知
  • 招待講演
• [学会発表] Crucial Role of Protein Flexibility in Enzymatic Catalysis (2013)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: 3rd International Conference on Molecular Simulations
  • 発表場所: 神戸・兵庫
  • 招待講演