量子化学計算による酵素の触媒機構解明

• 研究課題/領域番号: 24550190
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 生体関連化学
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 蒲池 高志 九州大学, 先導物質化学研究所, 助教 (40403951)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2014年度)
• 配分額: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円); 2014年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円); 2013年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2012年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: 酵素反応 / 密度汎関数法 / 遷移状態 / QM/MM法 / シトクロムP450 / 基質特異性 / 酵素化学

研究成果の概要

本研究課題ではQM/MM（Quantum Mechanical/Molecular Mechanical）法と呼ばれる量子化学計算の手法を用いることで、数万原子からなる生体分子などの巨大な系についてシミュレーションを行い、酵素の活性中心における反応活性種の反応性や電子状態を検討し、酵素による基質の活性化機構を明らかにした。成果としては、フルオロ酢酸デハロゲナーゼ、ヘムオキシゲナーゼ、ジオールデヒドラターゼなどの酵素反応について、QM/MM法による高精度なドッキングシミュレーションや変異体の反応性評価を行い、そのいくつかについて論文を発表した。

研究成果

• [雑誌論文] Selective carbon dioxide adsorption of ε-Keggin-type zincomolybdate-based purely-inorganic 3D frameworks (2015)
  • 著者名/発表者名: Zhenxin Zhang, Masahiro Sadakane, Shin-ichiro Noro, Toru Murayama, Takashi Kamachi, Kazunari Yoshizawa, and Wataru Ueda
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 3 号: 2 ページ: 746-755
  • DOI: 10.1039/c4ta05496b
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enantioselective Alkylation by Binaphthyl Chiral Phase-Transfer Catalysts: A DFT-Based Conformational Analysis (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Kamachi and K. Yoshizawa
  • 雑誌名: Org. Lett. 巻: 16 (2) 号: 2 ページ: 472-475
  • DOI: 10.1021/ol4033545
  • 査読あり
• [雑誌論文] Computational Mutation Design of Diol Dehydratase: Catalytic Ability toward Glycerol beyond the Wild-Type Enzyme (2014)
  • 著者名/発表者名: Doitomi, K.; Tanaka, H.; Kamachi, T.; Toraya, T.; Yoshizawa, K.
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 87 号: 9 ページ: 950-959
  • DOI: 10.1246/bcsj.20140115
  • NAID: 130004153315
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Molecular Motor-driven Abrupt Anisotropic Shape Change in a Single Crystal of a Ni Complex (2014)
  • 著者名/発表者名: Z.-S. Yao, M. Mito, T. Kamachi, Y. Shiota, K. Yoshizawa, N. Azuma, Y. Miyazaki, K. Takahashi, K. Zhang, T. Nakanishi, S. Kang, S. Kanegawa, O. Sato
  • 雑誌名: Nature Chem. 巻: 6 号: 12 ページ: 1079-1083
  • DOI: 10.1038/nchem.2092
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Oxidation of Silanes to Silanols on Pd Nanoparticles: H2 Desorption Accelerated by Surface Oxygen Atom (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Kamachi, K. Shimizu, D. Yoshihiro, K. Igawa, K. Tomooka, and K. Yoshizawa
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 117 号: 44 ページ: 22967-22973
  • DOI: 10.1021/jp408269s
  • 査読あり
• [雑誌論文] Initial Step of B12-Dependent Enzymatic Catalysis: Energetic Implications Regarding Involvement of One-electron Reduced Form of Adenosylcobalamin Cofactor (2012)
  • 著者名/発表者名: P. M. Kozlowski et al
  • 雑誌名: J. Biol. Inorg. Chem. 巻: 17 号: 2 ページ: 293-300
  • DOI: 10.1007/s00775-011-0850-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Naphthalene and Anthracene Complexes Sandwiched by Two Cp*FeI Fragments: Strong Electronic Coupling Between the FeI Centers (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Hatanaka et al
  • 雑誌名: Chem. Asian J. 巻: 7 号: 6 ページ: 1231-1242
  • DOI: 10.1002/asia.201101037
  • 査読あり
• [雑誌論文] Substrate Specificity of Fluoroacetate Dehalogenase: An Insight from Crystallographic Analysis, Fluorescence Spectroscopy, and Theoretical Computations (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Nakayama et al
  • 雑誌名: Chem. Eur. J. 巻: 18 号: 27 ページ: 8392-8402
  • DOI: 10.1002/chem.201103369
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum mechanical/molecular mechanical study of a mechanism for heme oxidation by heme oxygenase (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Kamachi et al
  • 雑誌名: Dalton Trans. 巻: 41 号: 38 ページ: 11642-11650
  • DOI: 10.1039/c2dt30777d
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanism of Glycerol Dehydration by Diol Dehydratase from Combined QM/MM Calculations (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Doitomi, et al.
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 51 号: 45 ページ: 9202-9210
  • DOI: 10.1021/bi300488u
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface Oxygen Atom as Cooperative Ligand in Pd Nanoparticles Catalysis for Selective Hydration of Nitriles to Amides in Water: Experimental and Theoretical Studies (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Shimizu et al
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 2 号: 12 ページ: 2467-2474
  • DOI: 10.1021/cs3006154
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydrolytic Enantioselective Protonation of Dienyl Esters and a Racemic β-Diketone with Chiral Phase-Transfer Catalysts (2012)
  • 著者名/発表者名: E. Yamamoto et al
  • 雑誌名: Org. Lett. 巻: 14 号: 24 ページ: 6178-6181
  • DOI: 10.1021/ol3027363
  • 査読あり
• [学会発表] アントラキノン法の水素化過程に関する理論的研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 蒲池高志、緒方龍展、森英一郎、井浦克弘、奥田典和、長田昌輝、吉澤一成
  • 学会等名: 日本化学会第95春季年会
  • 発表場所: 船橋
  • 年月日: 2015-03-26 – 2015-03-29
• [学会発表] ビナフチル骨格をもつNスピロ型キラル相間移動触媒による不斉アルキル化反応に関する研究：密度汎関数法に基づいた配座解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 蒲池 高志、吉澤 一成
  • 学会等名: 分子科学討論会2014
  • 発表場所: 東広島
  • 年月日: 2014-09-21 – 2014-09-24
• [学会発表] Quantum Mechanical/Molecular Mechanical (QM/MM)法による酵素反応解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 蒲池高志
  • 学会等名: 徳島大学 特別講演会 創薬分野への若手理論計算化学研究者のチャレンジ
  • 発表場所: 徳島
  • 年月日: 2014-07-28
  • 招待講演
• [学会発表] Toward Rational Design of Organocataysts: DFT-Based Conformation Analysis (2014)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kamachi, Kazunari Yoshizawa
  • 学会等名: ICOMC 2014 Pre-symposium in Kyoto
  • 発表場所: Kyoto
  • 年月日: 2014-07-10 – 2014-07-11
  • 招待講演
• [学会発表] In silico design of fine-tuned phase transfer catalyst: DFT-based conformation search (2014)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kamachi, Kazunari Yoshizawa
  • 学会等名: 5th French-Japanese Workshop on Computational Methods in Chemistry
  • 発表場所: Strasbourg
  • 年月日: 2014-06-30 – 2014-07-01
• [学会発表] ビナフチル骨格をもつNスピロ型キラル相間移動触媒による不斉アルキル化反応に関する理論的解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 蒲池 高志、吉澤一成
  • 学会等名: 日本化学会第94春季年会
  • 発表場所: 名古屋
• [学会発表] 表面を酸素修飾したPd/Cによるシランの酸化反応に関する理論的研究 (2013)
  • 著者名/発表者名: 蒲池 高志、清水研一、久保 隆寛、薩摩 篤、吉澤 一成
  • 学会等名: 第112回触媒討論会
  • 発表場所: 秋田
• [学会発表] DFT計算によるPd表面上の酸素原子の触媒機能解明 (2013)
  • 著者名/発表者名: 蒲池 高志、清水研一、井川和宣、友岡克彦、吉澤 一成
  • 学会等名: 分子科学討論会2013
  • 発表場所: 京都
• [学会発表] ヘムオキシゲナーゼによるヘムの代謝機構に関するQM/MM計算 (2013)
  • 著者名/発表者名: 蒲池 高志、西見智徳、吉澤一成
  • 学会等名: 日本化学会第93春季年会
  • 発表場所: 草津
• [学会発表] Water-Assisted Oxo Mechanism for Heme Oxidation by Heme Oxygenase (2012)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kamachi, Tomonori Nishimi, Kazunari Yoshizawa
  • 学会等名: AsBIC-VI
  • 発表場所: 香港
• [学会発表] ヘムオキシゲナーゼによるヘムの代謝機構に関する理論的研究 (2012)
  • 著者名/発表者名: 蒲池 高志、西見智徳、吉澤一成
  • 学会等名: 分子科学討論会2012
  • 発表場所: 東京
• [学会発表] フルオロ酢酸デハロゲナーゼによるC-F結合活性化機構に関する理論的研究 (2012)
  • 著者名/発表者名: 蒲池 高志、中山智則、実森啓二、栗原達夫、江崎信芳、吉澤一成
  • 学会等名: 第110回触媒討論会
  • 発表場所: 福岡