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計算機シミュレーションによるチャネルロドプシンの構造と機能の解析

研究課題

研究課題/領域番号 14J03041
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 生物物理学
研究機関東京大学 (2015)
東京工業大学 (2014)

研究代表者

渡邉 宙志  東京大学, 先端科学技術研究センター, 助教

研究期間 (年度) 2014-04-25 – 2016-03-31
研究課題ステータス 完了 (2015年度)
配分額 *注記
2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
2015年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2014年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
キーワードオプトジェネティクス / 光受容タンパク質 / チャネルロドプシン / 分子シミュレーション / QM/MM / ロドプシン
研究実績の概要

本研究では、オプトジェネティクスにおいて、重要なツールとなるタンパク質ChRの3つの分子特性、1)イオン選択性、2)反応キネティクス、3)光吸収波長制御を計算機シミュレーションにより解析し、工学的応用からの要請に応じた分子設計へと役立てることを目的とした。
(成果1)ChRの機能において、タンパク質内外を出入りする大量の水分子が重要な役割を果たす。それら水分子を計算精度よく取り扱うためには、量子化学的効果を計算に取り込む必要がある。しかし、水分子のダイナミクスにおいて理論的枠組みが存在しなかった。そこで本研究は、量子力学計算と古典力学計算を組み合わせたQM/MM法を発展させ、Size-Consistent Multipartitioning (SCMP) QM/MM法を開発した。これにより溶媒効果を初めて、量子力学的精度で取り込むことに成功した。同手法は、汎用性が高く様々な系や物理量の算出に応用が可能である。最初の応用として、水の赤外分光スペクトル計算に適用し、溶媒の量子力学的効果の重要性を実証した。
(成果2)イオン選択性に重要な寄与を示すアミノ酸残基を特定し、それら変異体を作成して、陽イオンチャネルであるChRから陰イオンチャネルを生み出すことに成功した。この変異型ChRは、オプトジェネティクスにおいて神経シグナルのブッロッカーとして今後の利用に期待を集めている。
また、ChRの活性部位の構造が類似タンパク質と比較して非常に柔軟性に富んでいることを発見し、特定のアミノ酸残基置換が活性部位のダイナミクスを通して、吸収波長を変化させることを解明した。
当初3年を予定していた本研究は、研究遂行者の異動により1年2ヶ月で終了した。そのため、最終目標である開発した新しい手法を、ChRに適用するには至らなかったが、順調な研究の推移から今後の更なる展開が期待できる。

現在までの達成度 (段落)

27年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

27年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2015 実績報告書
  • 2014 実績報告書
  • 研究成果

    (17件)

すべて 2016 2015 2014 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 1件、 査読あり 6件、 謝辞記載あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 1件)

  • [国際共同研究] Karlsruhe Institute of Technology(Germany)

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [雑誌論文] Thermal fluctuations enable rapid protein-protein associations inaqueous solution by lowering the reaction barrier2016

    • 著者名/発表者名
      Honami Sakaizawa, Hiroshi C. Watanabe, Tadaomi Furuta, Minoru Sakurai
    • 雑誌名

      Chem. Phys. Lett.

      巻: 643 ページ: 114-118

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2015.11.014

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] An adaptive quantum mechanics/molecular mechanics method for the infrared spectrum of water: incorporation of the quantum effect between solute and solvent2016

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi C. Watanabe, Misa Banno, Minoru Sakurai
    • 雑誌名

      Phys. Chem. Chem. Phys.

      巻: 18 号: 10 ページ: 7318-7333

    • DOI

      10.1039/c5cp07136d

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Active site structure and absorption spectrum of channelrhodopsin-2 wild-type and C128T mutant2016

    • 著者名/発表者名
      Yanan Guo, Franziska E Beyle, Beatrix M Bold, Hiroshi C Watanabe, Axel Koslowski, Walter Thiel, Peter Hegemann, Marco Marazzi, Marcus Elstner
    • 雑誌名

      Chemical Science

      巻: 未定 号: 6 ページ: 3879-3891

    • DOI

      10.1039/c6sc00468g

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Analysis of free energy and structural change of G3LEA peptide in the binding process to a POPC bilayer2015

    • 著者名/発表者名
      Misa Banno, Hiroshi C. Watanabe, Tadaomi Furuta, Minoru Sakurai
    • 雑誌名

      Cryobiology and Cryotechnology

      巻: 6 ページ: 105-109

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Conversion of Channelrhodopsin into a Light-Gated Chloride Channel2014

    • 著者名/発表者名
      Jonas Wietek, J. Simon Wiegert, Nona Adeishvili, Franziska Schneider, Hiroshi Watanabe, Satoshi P. Tsunoda, Arend Vogt, Marcus Elstner, Thomas G. Oertner, Peter Hegemann
    • 雑誌名

      Science

      巻: 344 号: 6182 ページ: 409-412

    • DOI

      10.1126/science.1249375

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Size-Consistent Multipartitioning QM/MM: A Stable and Efficient adaptive QM/MM method2014

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi C Watanabe, Tomas Kubar, Marcus Elstner
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Theory and Computation

      巻: 10 号: 10 ページ: 4242-4252

    • DOI

      10.1021/ct5005593

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] チャネルロドプシンの一分子構造解析とオプトジェネティクスへの応用2016

    • 著者名/発表者名
      渡邉宙志
    • 学会等名
      蛋白研セミナー『構造を基盤とする蛋白質科学における未解決問題』
    • 発表場所
      東京大学ENEOSホール (東京都)
    • 年月日
      2016-03-01
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] Size-Consistent Multipartitioning QM/MM method2015

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Watanabe
    • 学会等名
      The 2015 international Chamical Congress of pacific Basin Societies
    • 発表場所
      Honolulu, Hawaii, U.S.A.
    • 年月日
      2015-12-15
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] adaptive QM/MM法の赤外分光計算への応用2015

    • 著者名/発表者名
      渡邉宙志
    • 学会等名
      第29回分子シミュレーション討論会
    • 発表場所
      新潟朱鷺メッセ(新潟県)
    • 年月日
      2015-11-30
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] The first application of adaptive quantum mechanics/molecular mechanics method for infrared spectra of liquid water2015

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Watanabe
    • 学会等名
      第53回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      金沢大学 (石川県)
    • 年月日
      2015-09-13
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] Size-Consistent Multipartitioning QM/MM method2015

    • 著者名/発表者名
      渡辺宙志
    • 学会等名
      生体分子系量子化学計算の最前線シンポジウム
    • 発表場所
      埼玉県和光市 理化学研究所
    • 年月日
      2015-01-22 – 2015-01-23
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Size-Consistent Multipartitioning QM/MM method2014

    • 著者名/発表者名
      渡邉宙志
    • 学会等名
      第28回分子シミュレーション討論会
    • 発表場所
      宮城県仙台市 仙台市民会館
    • 年月日
      2014-11-12 – 2014-11-14
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Theoretical approach toward an understanding molecular functions of channelrhodopsin2014

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi C Watanabe
    • 学会等名
      16th International Conference of Retical Protein
    • 発表場所
      滋賀県長浜市 長浜ロイヤルホテル
    • 年月日
      2014-10-05 – 2014-10-10
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Theoretical approach toward an understanding molecular functions of channelrhodopsins2014

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi C Watanabe
    • 学会等名
      International Symposium on Optobiotechnology
    • 発表場所
      愛知県名古屋市 名古屋工業大学
    • 年月日
      2014-10-03
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Theoretical approach toward an understanding of molecular functions of channelrhodopsin2014

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi C Watanabe
    • 学会等名
      第52回生物物理学会
    • 発表場所
      北海道札幌市 札幌コンベンションセンター
    • 年月日
      2014-09-25 – 2014-09-27
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Computational study of Channelrhodopsins2014

    • 著者名/発表者名
      渡邉宙志
    • 学会等名
      Sutdying the Function of Soft Molecular Systems by the Concerted Use of Theory and Experiment
    • 発表場所
      山梨県北杜市 八ヶ岳ロイヤルホテル
    • 年月日
      2014-06-03 – 2014-06-05
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書

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公開日: 2015-01-22   更新日: 2024-03-26  

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