タンパク質機能発現の分子機構に関する理論的研究

• 研究課題/領域番号: 22370058
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 生物物理学
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 林 重彦 京都大学, 大学院・理学研究科, 准教授 (70402758)
• 研究期間 (年度): 2010 – 2012
• 研究課題ステータス: 完了 (2012年度)
• 配分額: 18,590千円 (直接経費: 14,300千円、間接経費: 4,290千円); 2012年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円); 2011年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円); 2010年度: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)
• キーワード: タンパク質機能 / 酵素反応 / QM/MM 法 / 分子動力学法 / 分子シミュレーション / リン酸加水分解 / 動力学法 / QM/MM-FF法 / 構造変化経路探索 / 線形応答理論 / カルモジュリン / 分散-共分散行列 / QM/MM-FE法

研究概要

タンパク質の分子機能発現の分子機構を明らかにするために、新規の分子シミュレーションの手法を開発し、酵素反応や大域的構造変化の理論的解析を行った。酵素反応経路解析に対して、タンパク質の構造熱揺らぎの効果を効率的に考慮することを可能にする QM/MM 自由エネルギー法(QM/MM RWFE-SCF 法)を開発した。その手法を用いた解析により、α アミラーゼの酵素触媒活性に、近傍ループの大きな構造変化が重要であることを明らかにした。また、微生物型ロドプシンの色変異体の構造モデルを構築した。次に、タンパク質の大域的構造変化のシミュレーションのために、線形応答理論に基づく linear response path following 法を開発した。この手法をカルモジュリンのイオン結合に伴う大域的構造変化に適用し、非常に短時間の MD シミュレーションで、その構造変化を正確に予測することに成功した。

研究成果

• [雑誌論文] The reaction mechanism of Claisen rearrangement obtained by transition state spectroscopy and single direct-dynamics trajectory (2013)
  • 著者名/発表者名: Izumi Iwakura, Yu Kaneko, Shigehiko Hayashi, Atsushi Yabushita, andTakayoshi Kobayashi
  • 雑誌名: Molecules 巻: 18 ページ: 1995-2004
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural and spectral characterizations of C1C2 channelrhodopsin and its mutants by molecular simulations (2013)
  • 著者名/発表者名: Motoshi Kamiya, Hideaki E. Kato, Ryuichiro Ishitani, Osamu Nureki, and Shigehiko Hayashi
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 556 ページ: 266-271
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular mechanism of ATP hydrolysis in F_1-ATPase revealed by molecular simulations and single molecule observations (2012)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi, Hiroshi Ueno, Abdul Rajjak Shaikh, Myco Umemura, Motoshi Kamiya, Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi、Yoshihito Komoriya, Ryota Iino, and Hiroyuki Noji
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 134 ページ: 8447-8454
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crucial role of protein flexibility in formation of a stable reaction transition state in an □-amylase catalysis. (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Kosugi and Shigehiko Hayashi
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 134 ページ: 7045-7055
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal structure of the channelrhodopsin light-gated cation channel (2012)
  • 著者名/発表者名: Hideaki E. Kato, Feng Zhang, Ofer Yizhar, Charu Ramakrishnan, Tomohiro Nishizawa, Kunio Hirata, Jumpei Ito, Yusuke Aita, Tomoya Tsukazaki, Shigehiko Hayashi, Peter Hegemann, Andres D. Maturana, Ryuichiro Ishitani, Karl Deisseroth, and Osamu Nureki
  • 雑誌名: Nature 巻: 482 ページ: 369-374
  • 査読あり
• [雑誌論文] QM/MM reweighting free energy SCF for geometry optimization on extensive free energy surface of enzymatic reaction (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Kosugi and Shigehiko Hayashi
  • 雑誌名: Journal of Chemical Theory and Computation 巻: 8 ページ: 322-334
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular Mechanism of ATP Hydrolysis in F_1-ATPase Revealed by Molecular Simulations and Single-Molecule Observations (2012)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi, Hiroshi Ueno, Abdul Rajjak Shaikh, Myco Umemura, Motoshi Kamiya, Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi, Yoshihiro Momoriya, Ryota Iino, Hiroyuki Noji
  • 雑誌名: Journal of American Chemical Society 巻: 134 号: 20 ページ: 8447-8454
  • DOI: 10.1021/ja211027m
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crucial role of protein flexibility in formation of a stable reaction transition state in an alpha-amylase catalysis (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Kosugi and Shigehiko Hayashi
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 134 号: 16 ページ: 7045-7055
  • DOI: 10.1021/ja212117m
  • 査読あり
• [雑誌論文] A theoretical study on excited state double proton transfer reaction of a7-azaindole dimer: an ab initio potential energy surface and its empirical valence bond model (2011)
  • 著者名/発表者名: Kohei Ando, Shigehiko Hayashi, and Shigeki Kato
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 13 ページ: 11118-11127
  • 査読あり
• [雑誌論文] Local entropy difference upon a substrate binding of a psychrophilic □-amylase and a mesophilic homologue (2011)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Kosugi and Shigehiko Hayashi
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 501 ページ: 517-522
  • 査読あり
• [雑誌論文] A theoretical study on excited state double proton transfer reaction of a 7-azaindole dimer : an ab initio potential energy surface and its empirical valence bond model (2011)
  • 著者名/発表者名: Kohei Ando, Shigehiko HayasKi, Shigeki Kato
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 13 ページ: 11118-11127
  • 査読あり
• [雑誌論文] Local entropy difference upon a substrate binding of a psychrophilic α-amylase and a mesophilic homologue (2011)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Kosugi, Shigehiko Hayashi
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 501 ページ: 517-522
  • 査読あり
• [雑誌論文] Yasutaka Nishihara, Shigeki Kato, and Shigehiko Hayashi (2010)
  • 著者名/発表者名: Protein collective motions coupled to ligand migration in myoglobin
  • 雑誌名: Biophysical Journal 巻: 98 ページ: 1649-1657
  • 査読あり
• [雑誌論文] Protein collective motions coupled to ligand migration in myoglobin (2010)
  • 著者名/発表者名: Yasutaka Nishihara, Shigeki Kato, Shigehiko Hayashi
  • 雑誌名: Biophysical Journal 巻: 98 ページ: 1649-1657
  • 査読あり
• [学会発表] 分子シミュレーションから見た酵素の活性と柔らかさ (2013)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 日本化学会第93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-複雑さと柔らかさ」
  • 発表場所: 草津・滋賀
• [学会発表] Hybrid molecular simulations toward understanding enzymatic catalysis (2013)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Fifth Korea-Japan Seminars on Biomolecular Sciences: Experiments and Simulations
  • 発表場所: High 1 resort, Korea
• [学会発表] 分子シミュレーションから見た酵素の活性と柔らかさ (2013)
  • 著者名/発表者名: 林重彦
  • 学会等名: 日本化学会第 93 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－複雑さと柔らかさ」
  • 発表場所: 草津・滋賀
  • 招待講演
• [学会発表] ハイブリッド分子シミュレーションで探る酵素活性の分子機構 (2012)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: WIAS Top Runners' Lecture Collection of Science「物質化学におけるコンピュータ利用の最前線」
  • 発表場所: 早稲田・東
  • 年月日: 2012-11-20
• [学会発表] Hybrid molecular simulations toward understanding enzymatic catalysis (2012)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Fifth International Symposium on Atomically Controlled Fabrication Technology
  • 発表場所: 大阪
• [学会発表] 「理論解析」の観点から (2012)
  • 著者名/発表者名: 林重彦
  • 学会等名: 第4回光操作研究会「動作原理の理解と行動制御への応用」
  • 発表場所: 岡崎・愛知
• [学会発表] Hybrid molecular simulations toward understanding enzymatic catalysis (2012)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: 14th International Congress of Quantum Chemistry
  • 発表場所: Boulder, USA
• [学会発表] ハイブリッド分子シミュレーションで探る酵素活性の分子機構 (2012)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 「水を主役としたATPエネルギー変換」第4回全体会議
  • 発表場所: 宮城・仙台
• [学会発表] ハイブリッド分子シミュレーションで探る酵素活性の分子機構 (2012)
  • 著者名/発表者名: 林重彦
  • 学会等名: WIAS Top Runners’ Lecture Collection of Science「物質化学におけるコンピュータ利用の最前線」
  • 発表場所: 早稲田・東京
  • 招待講演
• [学会発表] ハイブリッド分子シミュレーションで探る酵素活性の分子機構 (2011)
  • 著者名/発表者名: 林重彦
  • 学会等名: 大阪大学蛋白質研究所セミナー「蛋白質科学の未来を語る-実験・理論研究者の対話-」
  • 発表場所: 吹田(大阪)
  • 年月日: 2011-11-21
• [学会発表] Hybrid molecular simulations toward understanding enzymatic catalysis (2011)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: IMS Symposium on "Recent Developments of Spectroscopy and Spatial and Temporal Hierarchical Structures in Molecular Science"
  • 発表場所: 愛知・岡崎
  • 年月日: 2011-10-18
• [学会発表] Molecular mechanism of enzymatic reaction studied by the QM/MM reweighting free energy SCF method (2011)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi, Takahiro Kosugi
  • 学会等名: 日本生物物理学会・シンポジウム"New approaches for probing biomolecular fluctuations"
  • 発表場所: 姫路(兵庫)
  • 年月日: 2011-09-17
• [学会発表] Fukui International Symposium for Theoretical Chemistry (2011)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Fukui International Symposium for Theoretical Chemistry
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 2011-09-01
• [学会発表] Hybrid molecular simulations toward understanding enzymatic catalysis (2011)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Telluride Science Research Center Workshop on "Riss of the Machines : Intergration of expertment, simulation and theory for a mechanistic understanding of biomolecular machines"
  • 発表場所: Telluride (USA)
  • 年月日: 2011-08-09
• [学会発表] Molecular mechanisms of enzymatic catalysis in F1-ATPase and a-amylase (2011)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: WATOC 2011
  • 発表場所: Santiago de Compostela (Spain)
  • 年月日: 2011-07-21
• [学会発表] Hybrid molecular simulations toward understanding enzymatic catalysis (2011)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: 2011 Karen Japan Symposhim on Molecular Science "New Visions for Spectroscopy & Computation : Temporal and Spatial Advantures of Molecular Sciences"
  • 発表場所: 釜山(韓国)
  • 年月日: 2011-07-06
• [学会発表] Chemicalreaction dynamics in solution and enzymes: A tribute to the memory of Professor Shigeki Kato (2011)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: The fifth Asian Pacific Conference of Theoretical and Computational Chemistry
  • 発表場所: Rotorua, New Zealand
• [学会発表] ハイブリッド分子シミュレーションで探る酵素活性の分子機構 (2011)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 大阪大学蛋白質研究所セミナー「蛋白質科学の未来を語る-実験・理論研究者の対話 -」
  • 発表場所: 大阪・豊中
• [学会発表] ハイブリッド分子シミュレーションで探る酵素反応の分子機構 (2011)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 分子研研究会「実験と理論による高次分子システムの機能発現の分子論的理解」
  • 発表場所: 愛知・岡崎
• [学会発表] Molecular mechanism of enzymatic reaction studied by the QM/MM reweighting free energy SCF method (2011)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi and Takahiro Koaugi
  • 学会等名: 日本生物物理学会・シンポジウム "New approaches for probing biomolecular fluctuations"
  • 発表場所: 兵庫・姫路
• [学会発表] Hybrid molecular simulations toward understanding enzymatic catalysis (2011)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Fukui International Symposium for Theoretical Chemistry
  • 発表場所: 京都
• [学会発表] Hybrid molecular simulations toward understanding enzymatic catalysis (2011)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Telluride Science Research Center Workshop on "Rise of the Machines: Integration of experiment, simulationand theory for a mechanisticunderstanding of biomolecular machines"
  • 発表場所: Telluride, Colorado
• [学会発表] Molecular mechanisms of enzymatic catalysis in F1-ATPase and □-amylase (2011)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: WATOC 2011
  • 発表場所: Santiago de Compostela, Spain
• [学会発表] Hybrid molecular simulations toward understanding enzymatic catalysis (2011)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: 2011 Korea Japan Symposium on Molecular Science "New Visions for Spectroscopy & Computation: Temporal and Spatial Adventures of Molecular Science"
  • 発表場所: 韓国・釜山
• [学会発表] 生体機能の分子シミュレーション (2011)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 文部科学省「革新的ハイパフォーマンス・コンピューティング・インフラ(HPCI)の構築」次世代スーパーコンピュータ戦略分野2「新物質・エネルギー創成」計算物質科学イニシアティブ(CMSI)計算分子科学研究拠点 第1回研究会
  • 発表場所: 愛知・岡崎
• [学会発表] Chemical reactions and molecular dynamics in functional processes of motor and photoreceptor proteins (2010)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Pacifichem 2010 Symposium "Computational Quantum Chemistry : Theory and Interactions with Experiment"
  • 発表場所: Honolulu(米国)
  • 年月日: 2010-12-19
• [学会発表] Chemical reactions and molecular dynamics in functional processes of motor and photoreceptor proteins (2010)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Pacifichem 2010 Symposium "Computational Quantum Chemistry: Theory and Interactions with Experiment"
  • 発表場所: Honolulu, USA
• [図書] タンパク質の生物学的機能と化学反応, 岩波講座計算科学第4 巻 計算と生命, 第3.3 章 (2012)
  • 著者名/発表者名: 林重彦
• [図書] 酵素反応と生体分子機能の分子シミュレーション. CSJ カレントレヴュー・巨大分子系の計算化学, 08, 第17 章 (2012)
  • 著者名/発表者名: 林重彦
• [図書] 岩波講座計算科学第 4 巻 計算と生命, 第 3.3 章 (2012)
  • 著者名/発表者名: 林重彦
  • 出版者: 岩波書店
• [備考]
  • URL: http://kuchem.kyoto-u.ac.jp/riron/hayashig