蛋白質環境下におけるアミノ酸のプロトン親和性変化の量子論的解析

• 研究課題/領域番号: 22740259
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 数理物理・物性基礎
• 研究機関: 神奈川工科大学 (2013); 筑波大学 (2010-2012)
• 研究代表者: 神谷 克政 神奈川工科大学, 基礎・教養教育センター, 准教授 (60436243)
• 研究期間 (年度): 2010-04-01 – 2014-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2013年度)
• 配分額: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2013年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2012年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2011年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2010年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
• キーワード: ナノ・バイオ / 蛋白質 / 計算物理学 / アミノ酸 / プロトン親和性 / 第一原理計算 / 構造・機能・電子状態 / 密度汎関数理論 / 計算科学 / ナノバイオ

研究概要

ナノメートルのスケールの生命現象では、プロトンの微視的な振る舞いが重要な役割を担う。本研究では、アミノ酸のプロトン親和性に対する環境の効果を量子論的手法により原子スケールで調べた。それにより、蛋白質の立体構造情報の量子論的解析法の確立と、その構造・機能相関を原子スケールで解明するためのフレームワークの提唱を目指した。（１）水溶液中のアミノ酸単体の環境、（２）プロトン輸送を担うアミノ酸の周りの蛋白質環境（チトクロム酸化酵素）、（３）分解反応を担うアミノ酸の周りの蛋白質環境（ナイロン分解酵素）に対し、各々の蛋白質環境の生理的な構造の意義を第一原理計算の手法を用いてプロトン親和性の観点から解明した。

研究成果

• [雑誌論文] Nylon-Oligomer Hydrolase Promoting Cleavage Reactions in Unnatural Amide Compounds (2014)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya, Takeshi Baba, Mauro Boero, Toru Matsui, Seiji Negoro, and Yasuteru Shigeta
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 5 号: 7 ページ: 1210-1216
  • DOI: 10.1021/jz500323y
  • 査読あり
• [雑誌論文] Generalized mechanism of the resistance switching in binary-oxide-based resistive random-access memories (2013)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya, Moon Young Yang, Takahiro Nagata, Seong-Geon Park, Blanka Magyari-Kope, Toyohiro Chikyow, Keisaku Yamada, Masaaki Niwa, Yoshio Nishi, and Kenji Shiraishi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 87 号: 15 ページ: 155201-155201
  • DOI: 10.1103/physrevb.87.155201
  • 査読あり
• [雑誌論文] Vacancy Cohesion-Isolation Phase Transition Upon Charge Injection and Removal in Binary Oxide-Based RRAM Filamentary-Type Switching (2013)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya, Moon Young Yang, Blanka Magyari-Kope, Masaaki Niwa, Yoshio Nishi, and Kenji Shiraishi
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Electron Devices 巻: 60 号: 10 ページ: 3400-3406
  • DOI: 10.1109/ted.2013.2279397
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical Design of Desirable Stack Structure for Resistive Random Access Memories (2013)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya, Moon Young Yang, Blanka Magyari-Kope, Masaaki Niwa, Yoshio Nishi, and Kenji Shiraishi
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 58 号: 7 ページ: 181-188
  • DOI: 10.1149/05807.0181ecst
  • 査読あり
• [雑誌論文] Energetics and Electronic Structures of Alkanes Adsorbed on Carbon Nanotubes (2013)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya and Susumu Okada
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 52 号: 4S ページ: 04CN07-04CN07
  • DOI: 10.7567/jjap.52.04cn07
  • NAID: 210000142122
  • 査読あり
• [雑誌論文] Energetics and Electronic Structures of Alkanes and Polyethylene Adsorbed on Graphene (2013)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya and Susumu Okada
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 52 号: 6S ページ: 06GD10-06GD10
  • DOI: 10.7567/jjap.52.06gd10
  • NAID: 210000142348
  • 査読あり
• [雑誌論文] Substrate-mediated proton relay mechanism for the religation reaction in topoisomerase II (2013)
  • 著者名/発表者名: Kyohei Hanaoka, Mitsuo Shoji, Daiki Kondo, Akimasa Sato, Moon Young Yang, Katsumasa Kamiya, and Kenji Shiraishi
  • 雑誌名: Journal of Biomolecular Structure and Dynamics 巻: - 号: 11 ページ: 1759-1765
  • DOI: 10.1080/07391102.2013.834848
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interstitial oxygen induced Fermi level pinning in the Al2O3-based high-k MISFET with heavy-doped n-type poly-Si gates (2013)
  • 著者名/発表者名: Moon Young Yang, Katsumasa Kamiya, and Kenji Shiraishi
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 3 号: 10 ページ: 102113-102113
  • DOI: 10.1063/1.4825071
  • 査読あり
• [雑誌論文] Charge-dependent oxygen vacancy diffusion in Al2O3-based resistive-random-access-memories (2013)
  • 著者名/発表者名: Moon Young Yang, Katsumasa Kamiya, Blanka Magyari-Kope, Masaaki Niwa, Yoshio Nishi, and Kenji Shiraishi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 103 号: 9 ページ: 93504-93504
  • DOI: 10.1063/1.4819772
  • 査読あり
• [雑誌論文] An accurate density functional theory based estimation of pKa values of polar residues combined with experimental data : from amino acids to minimal proteins (2012)
  • 著者名/発表者名: 松井亨、馬場剛史、神谷克政、重田育照
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 14 号: 12 ページ: 4181-4187
  • DOI: 10.1039/c2cp23069k
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical Insight into Stereoselective Reaction Mechanisms of 2,4-Pentanediol-Tethered Ketene-Olefin [2+2] Cycloaddition (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Kamiya
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry A 巻: 116 号: 4 ページ: 1168-1175
  • DOI: 10.1021/jp211542m
  • 査読あり
• [雑誌論文] ON-OFF switching mechanism of resistive–random–access–memories based on the formation and disruption of oxygen vacancy conducting channels (2012)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya, Moon Young Yang, Seong-Geon Park, Blanka Magyari-Kope, Yoshio Nishi, Masaaki Niwa, and Kenji Shiraishi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 100 号: 7 ページ: 73502-73502
  • DOI: 10.1063/1.3685222
  • 査読あり
• [雑誌論文] Geometries and Electronic Structures of Diamond Nanoparticles (2012)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya and Susumu Okada
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 51 号: 1R ページ: 15001-15001
  • DOI: 10.1143/jjap.51.015001
  • NAID: 40019137914
  • 査読あり
• [雑誌論文] Efficient Structure for Deep-Ultraviolet Light-Emitting Diodes with High Emission Efficiency: A First-Principles Study of AlN/GaN Superlattice (2012)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya, Yasuhiro Ebihara, Makoto Kasu, and Kenji Shiraishi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 51 号: 2S ページ: 02BJ11-02BJ11
  • DOI: 10.1143/jjap.51.02bj11
  • NAID: 210000140267
  • 査読あり
• [雑誌論文] Intrinsic origin of negative fixed charge in wet oxidation for silicon carbide (2012)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Ebihara, Kenta Chokawa, Shigenori Kato, Katsumasa Kamiya, and Kenji Shiraishi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 100 号: 21 ページ: 212110-212110
  • DOI: 10.1063/1.4722782
  • 査読あり
• [雑誌論文] First-principles molecular dynamics study on the atomistic behavior of His503 in bovine cytochrome c oxidase (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Kamiya
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta 巻: 1807 号: 10 ページ: 1328-1335
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2011.03.015
  • 査読あり
• [雑誌論文] Energetics and electronic structure of encapsulated single-stranded DNA in carbon nanotubes (2011)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya, Susumu Okada
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 83 号: 15
  • DOI: 10.1103/physrevb.83.153413
  • NAID: 120007130846
  • 査読あり
• [雑誌論文] Intrinsic Origin of the Breakdown of the Quasi-Cubic Approximation in Nitride Semiconductors (2011)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Ebihara, Katsumasa Kamiya, Kenji Shiraishi, Atsushi A, Yamaguchi
  • 雑誌名: Physica Status Solidi (c) 巻: 8 号: 7-8 ページ: 2279-2281
  • DOI: 10.1002/pssc.201001085
  • 査読あり
• [雑誌論文] Energy Compensation Mechanism for Charge-Separated Protonation States in Aspartate-Histidine Amino Acid Residue Pairs (2010)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya, Mauro Boero, Kenji Shiraishi, Atsushi Oshiyama, Yasuteru Shigeta
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 114 ページ: 6567-6578
  • 査読あり
• [雑誌論文] 理論計算によるピコバイオロジー研究 (2010)
  • 著者名/発表者名: 神谷克政
  • 雑誌名: 生物物理 巻: 50 ページ: 218-219
• [学会発表] ナイロンオリゴマー分解酵素の反応メカニズムに関する研究 (2013)
  • 著者名/発表者名: 馬場 剛史、神谷 克政、Mauro Boero、重田 育照
  • 学会等名: 化学反応経路探索のニューフロンティア2013
  • 発表場所: 京都大学福井謙一記念センター
• [学会発表] Theoretical Design of Desirable Stack Structure for Resistive Random Access Memories (2013)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya, Moon Young Yang, Blanka Magyari-Kope, Masaaki Niwa, Yoshio Nishi, and Kenji Shiraishi
  • 学会等名: 224th ECS Meeting
  • 発表場所: Hilton San Francisco, San Francisco, USA
  • 招待講演
• [学会発表] Ab initio modeling of binary-oxide-based nanomaterials for the next generation nonvolatile memory (2013)
  • 著者名/発表者名: Moon Young Yang, Katsumasa Kamiya, and Kenji Shiraishi
  • 学会等名: BIT 3rd annual world congress of nano science and technology
  • 発表場所: Xian Qujiang International Conference Center, Xian, China
  • 招待講演
• [学会発表] Ab initio Modeling of Resistive Random Access Memories (2013)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya
  • 学会等名: Nonvolatile memory workshop by Consortium of semiconductor advanced research
  • 発表場所: Ocean suites, Jeju, Korea
  • 招待講演
• [学会発表] Theoretical proposal of the crystal growth of oxide layered stack structures with memory functions (2013)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya and Moon Young Yang
  • 学会等名: Collaborative Conference on Crystal Growth
  • 発表場所: Westin Resort and Spa, Cancun, Mexico
  • 招待講演
• [学会発表] 官能基の類似性を利用した酸解離定数の新規算出法と応用 (2012)
  • 著者名/発表者名: 松井亨、馬場剛史、安田奈都美、神谷克政、北河康隆、重田育照、奥村光隆
  • 学会等名: 第92回日本化学会春季年会
  • 発表場所: 慶應義塾大学日吉キャンパス(神奈川県)
  • 年月日: 2012-03-27
• [学会発表] First-principles analysis on proton transport pathways of cytochrome c oxidase (2012)
  • 著者名/発表者名: Yasuteru Shigeta, Katsumasa Kamiya
  • 学会等名: Asian International Symposium,日本化学会第92春季年会
  • 発表場所: 慶応義塾大学(東京都)(招待講演)
  • 年月日: 2012-03-26
• [学会発表] QM/MM第一原理分子動力学法によるナイロン工業副産物分解酵素の反応機構の解明 (2012)
  • 著者名/発表者名: 神谷克政、馬場剛史、マウロボエロ、松井亨、根来誠司、重田育照
  • 学会等名: 第67回日本物理学会年次大会
  • 発表場所: 関西学院大学(兵庫県)
  • 年月日: 2012-03-24
• [学会発表] カーボンナノチューブに吸着したアミノ酸のエネルギー論と電子構造 (2012)
  • 著者名/発表者名: 神谷克政、岡田晋
  • 学会等名: The 42nd Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
  • 発表場所: 東京大学、武田ホール(東京都)
  • 年月日: 2012-03-06
• [学会発表] First-principles studies on Proton Transfer Mechanisms in Cytochrome c Oxidase (2012)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya
  • 学会等名: 2012 International Conference on Small Sciences
  • 発表場所: Wald Disney World Swan and Dolphin, Orland, FL, USA
  • 招待講演
• [学会発表] Design of Nylon Oligomer Hydrolase on the Basis of Simulations (2012)
  • 著者名/発表者名: Yasuteru Shigeta, Katsumasa Kamiya, Takeshi Baba, Toru Matsui, Yoshiki Higuchi, and Seiji Negoro
  • 学会等名: Symposium on Enzymes & Biocatalysis-2012
  • 発表場所: Xian Qujiang International Conference Center, Xian, China
  • 招待講演
• [学会発表] Design of Nylon Oligomer Hydrolase on the Basis of Simulations (2012)
  • 著者名/発表者名: Yasuteru Shigeta, Katsumasa Kamiya, Takeshi Baba, Toru Matsui, Mauro Boero, Yoshiki Higuchi, and Seiji Negoro
  • 学会等名: Symposium on Enzymes & Biocatalysis-2012
  • 発表場所: Xi'an Qujiang International Conference Center, Xi'an, China
  • 招待講演
• [学会発表] Mutational effects on the acylation of Nylon oligomer Hydrolase (2012)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Baba, Katsumasa Kamiya, Toru Matsui, Mauro Boero, Seiji Negoro, Yasuteru Shigeta
  • 学会等名: The XIVth International Congress of Quantum Chemistry
  • 発表場所: Boulder, Colorado, USA
• [学会発表] ナイロンオリゴマー分解酵素の反応機構に対するアミノ酸変異の効果 (2012)
  • 著者名/発表者名: 馬場剛史、神谷克政、松井亨、奥野克樹、Mauro Boero、根来誠司、中野雅由、重田育照
  • 学会等名: 第6回分子科学討論会2012
  • 発表場所: 東京大学本郷キャンパス、東京都
• [学会発表] NylBの反応機構に対するアミノ酸変異導入の効果 (2012)
  • 著者名/発表者名: 馬場剛史、神谷克政、松井亨、西口拓紀、Mauro Boero、根来誠司、中野雅由、重田育照
  • 学会等名: 創立90周年記念第64回日本生物工学会大会
  • 発表場所: 神戸国際会議場、兵庫県
• [学会発表] First-Principles Studies on Proton Transfer Mechanisms in Cytochrome c Oxidase (2012)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya
  • 学会等名: 2012 International Conference on Small Science
  • 発表場所: Wald Disney World Swan and Dolphin, Orlando FL, USA
  • 招待講演
• [学会発表] Energetics and Electronic Structures of Inserted Single-Stranded DNA into Single-Walled Carbon Nanotubes (2011)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya, Susumu Okada
  • 学会等名: Workshop on Carbon Nanotube in Commemoration of The 20th Anniversary of its Discovery
  • 発表場所: The International House of Japan (Tokyo)
  • 年月日: 2011-12-12
• [学会発表] First-Principles Molecular Dynamics Study on Reaction Mechanisms of Nylon-6 Byproduct-Degrading Enzyme (2011)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya, Takeshi Baba, Mauro Boero, Toru Matsui, Seiji Negoro, Yasuteru Shigeta
  • 学会等名: The 14th Asian Workshop on First-Principles Electronic Structure Calculations
  • 発表場所: The University of Tokyo (Tokyo)
  • 年月日: 2011-11-01
• [学会発表] Electronic structure of graphene adsorbed on HfO2 surfaces (2011)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya, Naoto Umezawa, Susumu Okada
  • 学会等名: 24th International Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • 発表場所: ANA hotel (Kyoto)
  • 年月日: 2011-10-26
• [学会発表] Universal Theory of ON-OFF Switching Mechanism of RRAM via VO Based Conducting Channels-Guiding Principle for Oxide Based High Quality RRAM- (2011)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya, Moon Young Yang, Seong-Geon Park, Blanka Magyari-Kope, Yoshio Nishi, Masaaki Niwa, Kenji Shiraishi
  • 学会等名: 1st International Workshop on Resistive RAM
  • 発表場所: IMEC (Leuven, Belgium)(招待講演)
  • 年月日: 2011-10-20
• [学会発表] アミド化合物の酵素合成:高効率触媒の形成要件 (2011)
  • 著者名/発表者名: 小林達也, 中田悠介, 馬場剛史, 河島康之, 柴田直樹, 加藤太一郎, 武尾正弘, 樋口芳樹, 重田育照, 松井亨, 神谷克政, 根来誠司
  • 学会等名: 第63回日本生物工学会大会
  • 発表場所: 東京農工大学小金井キャンパス(東京都)
  • 年月日: 2011-09-28
• [学会発表] ナイロンオリゴマー分解酵素Ny1Bの基質認識機構 (2011)
  • 著者名/発表者名: 西口拓紀, 中田悠介, 小林達也, 河島康之, 重田育照, 馬場剛史, 神谷克政, 武尾正弘, 加藤太一郎, 根来誠司
  • 学会等名: 第63回日本生物工学会大会
  • 発表場所: 東京農工大学小金井キャンパス(東京都)
  • 年月日: 2011-09-28
• [学会発表] タンパク質内アミノ酸側鎖の酸解離定数の新規算出法と応用 (2011)
  • 著者名/発表者名: 松井亨, 馬場剛史, 安田奈都美, 神谷克政, 北河康隆, 重田育照, 奥村光隆
  • 学会等名: 第5回分子科学討論会
  • 発表場所: 札幌コンベンションセンター(北海道)
  • 年月日: 2011-09-23
• [学会発表] Experimental and computational studies on mutational effects on nylon-6 byproducts-degrading enzyme (2011)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Baba, Katsumasa Kamiya, Toru Matsui, Naoki Shibata, Yoshiki Higuchi, Seiji Negoro, Yasuteru Shigeta
  • 学会等名: 第49回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 兵庫県立大学・書写キャンパス(兵庫県)
  • 年月日: 2011-09-18
• [学会発表] Energetics and Electronic Structure of Encapsulated Single Stranded DNA in Carbon Nanotubes (2011)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya, Okada
  • 学会等名: NT11 International Conference on the Science and Application of Nanotubes
  • 発表場所: University of Cambridge (Cambridge, UK)
  • 年月日: 2011-07-14
• [学会発表] Energetics and Electronic Structures of Graphene Adsorbed on HfO2 Surfaces (2011)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiyazawa, Naoto Umezawa, Susumu Okada
  • 学会等名: NT11 International Conference on the Science and Application of Nanotubes
  • 発表場所: University of Cambridge (Cambridge, UK)
  • 年月日: 2011-07-12
• [学会発表] ナイロン6工業副産物分解酵素の反応機構の第一原理分子動力学法による解析 (2011)
  • 著者名/発表者名: 神谷克政, 馬場剛史, 松井亨, 根来誠司, 重田育照
  • 学会等名: 第11回日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: ホテル阪急エキスポパーク(大阪府)
  • 年月日: 2011-06-08
• [学会発表] 計算科学に基づくナノ構造体の機能と電子物性の探索 (2011)
  • 著者名/発表者名: 神谷克政
  • 学会等名: 短期研究会「計算物質科学の課題と展望」
  • 発表場所: 東京大学物性研究所
  • 年月日: 2011-01-05
• [学会発表] First-principles studies of functional units in bovine cytochrome c oxidase (2010)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya
  • 学会等名: Workshop on Allosteric cooperatitivity in soluble, membrane bound hemoproteins and related membrane systems
  • 発表場所: Bari, Italy
  • 年月日: 2010-05-29
  • 招待講演
• [学会発表] First-Principles Studies of Functional Units in Bovine Cytochrome c Oxidase (2010)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya
  • 学会等名: Workshop on Allosteric cooperativity in soluble, membrane bound hemoproteins and related membrane systems
  • 発表場所: Bari, Italy
  • 年月日: 2010-05-29
• [学会発表] アシル化反応に対するアミノ酸変異の効果
  • 著者名/発表者名: 馬場剛史、神谷克政、松井亨、 根来誠司、Mauro Boero、中野雅由、重田育照
  • 学会等名: 第10回京都大学福井謙一記念センターシンポジウム
  • 発表場所: 京都大学福井謙一記念センター、京都府
• [備考]
  • URL: http://www.gen.kanagawa-it.ac.jp/~katsumasa.kamiya/HP_japanese/index.html
• [備考] アメリカ化学会Web スライド集の掲載ページ
  • URL: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jz500323y
• [備考] 日経バイオテクONLINE に掲載された記事ページ
  • URL: https://bio.nikkeibp.co.jp/article/news/20140419/175556/
• [備考] アメリカ化学会Webスライド集の掲載ページ
  • URL: http://pubs.acs.org/iapps/liveslides/pages/index.htm?mscNo=jz500323y
• [備考] 日経バイオテクONLINEに掲載された記事ページ
  • URL: https://bio.nikkeibp.co.jp/article/news/20140419/175556/?ST=academic
• [備考] 大学プレスセンターに掲載された記事ページ
  • URL: http://www.u-presscenter.jp/modules/bulletin/index.php?page=article&storyid=6367
• [備考] 所属研究機関ホームページに掲載
  • URL: http://www.kait.jp/news/722.html
• [備考] 所属研究機関所属部局ホームページに掲載
  • URL: https://www.gen.kanagawa-it.ac.jp/20140421