生体ハイドロジェノミクスの理論解析

• 研究領域: ハイドロジェノミクス：高次水素機能による革新的材料・デバイス・反応プロセスの創成
• 研究課題/領域番号: 19H05047
• 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: 筑波大学
• 研究代表者: 重田 育照 筑波大学, 計算科学研究センター, 教授 (80376483)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2020年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円); 2019年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: 電子状態計算 / 反応解析 / 構造解析 / プロトン移動反応 / 電子移動経路 / 酸解離定数 / プロトン化状態 / 酸化還元電位 / NiFeヒロドゲナーゼ / 生体ハイドロジェノミクス / 第一原理計算 / 分子動力学計算 / プロトン移動経路 / ヒドロゲナーゼ / 分子軌道法 / 分子動力学法 / 同位体効果

研究開始時の研究の概要

ヒドロゲナーゼは水素酸化とプロトン還元を可逆的に触媒する酵素であり、その反応メカニズムの学術的な興味もさることながら、水素分子の貯蔵・生産を可能にするバイオエネルギー源としても大変魅力的な研究対象である。実験で多くのことが解明されているものの、その詳細に関しては未知の部分も多く残されており、理論研究により相補的な情報を提供することが本研究の役割である。

研究実績の概要

ヒドロゲナーゼは遷移金属を含む活性部位（触媒サイト）において水素分子をプロトンと電子へと可逆的に変換する役割を果たす酵素であり、ある種の嫌気的生物はその電子エネルギーを利用し生命システムを維持してきた。この機能は言わば生体内燃料電池であり、ヒドロゲナーゼの機能を理解することは、ハイドロジェノミクスの分野を生物系へ拡張する上で極めて本質的である。
本研究では、完全酸化状態である[NiFe]ヒドロゲナーゼの分子状水素による再活性化機構を明らかにするため、嫌気性条件下で得られた新たなX線、および中性子線結晶構造解析結果の構造の妥当性、およびその安定性を検証することを目的としている。また、水素分子との反応についての知見を得ることで、再活性化の可能性を検討した。
従来、再活性化が遅いNi-Aとして同定されていた構造は酸素により過剰に酸化された構造であったが、今回得られた構造は反応サイクル中のそれと類似しており、QM/MM計算による網羅計算により、NiとFe間を架橋する酸素種はO2-、Niの価数は+3、スピンは低スピン状態であることが同定された。また、再活性化が速いNi-BについてはNiとFe間を架橋する酸素種はOH-、Niの価数は+3、スピンは低スピン状態であることが同定された。本研究により、新規構造の妥当性を検証するとともに、結晶構造解析からは観測が困難な水素の空間配置の決定、および遷移金属の価電子数とスピン状態が明らかとなった。
R02年度は特に、完全酸化された構造からの水素による再活性化過程について、QM/MM計算を行なった。酸化状態では、活性サイトに水素分子の吸着が直接起こらないことを確認した。したがって、分子状の水素ではなく原子状、あるいは自ら生ずるオキソニウムイオン、ヒドロニウムイオン、あるいは電子移動が起こる必要があることを意味している。

現在までの達成度 (段落)

令和2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

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Chulalongkorn University(タイ)
• [国際共同研究] Max Planck Institute(ドイツ)
• [雑誌論文] Molecular Motions of Imidazole in Poly(vinylphosphonic acid)-Imidazole Composites Investigated by Molecular Dynamics Simulations (2021)
  • 著者名/発表者名: Hori Yuta、Suetake Toshiya、Shigeta Yasuteru、Ida Tomonori、Mizuno Motohiro
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 50 号: 1 ページ: 17-20
  • DOI: 10.1246/cl.200635
  • NAID: 130007965988
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Folding of Trp-cage is Regulated by Stochastic Flip of the Side Chain of Tryptophan (2021)
  • 著者名/発表者名: Yasuda Takunori、Shigeta Yasuteru、Harada Ryuhei
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 50 号: 1 ページ: 162-165
  • DOI: 10.1246/cl.200699
  • NAID: 130007965969
  • 査読あり
• [雑誌論文] Why are lopinavir and ritonavir effective against the newly emerged Coronavirus 2019?: Atomistic insights into the inhibitory mechanisms (2020)
  • 著者名/発表者名: B. Nutho, P. Mahalapbutr, K. Hengphasatporn, N.C. Pattaranggoon, N. Simanon, Y. Shigeta, S. Hannongbua, T. Rungrotmongkol
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 59 号: 18 ページ: 1769-1779
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.0c00160
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Neutron crystallography of copper amine oxidase reveals keto/enolate interconversion of the quinone cofactor and unusual proton sharing (2020)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Murakawa, Kazuo Kurihara, Mitsuo Shoji, Chie Shibazaki, Tomoko Sunami, Taro Tamada, Naomine Yano, Taro Yamada, Katsuhiro Kusaka, Mamoru Suzuki, Yasuteru Shigeta, Ryota Kuroki, Hideyuki Hayashi, Takato Yano, Katsuyuki Tanizawa, Motoyasu Adachi, Toshihide Okajima
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 印刷中 号: 20 ページ: 10818-10824
  • DOI: 10.1073/pnas.1922538117
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Regenerations of Initial Velocities in Parallel Cascade Selection Molecular Dynamics (PaCS-MD) Enhance the Conformational Transitions of Proteins (2020)
  • 著者名/発表者名: Aida Hayato、Shigeta Yasuteru、Harada Ryuhei
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 49 号: 7 ページ: 798-801
  • DOI: 10.1246/cl.200196
  • NAID: 130007872518
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Dynamics of S-adenosyl-methionine and S-adenosyl-homocysteine in Mouse Dnmt1 is Driven by Their Structural Flexibilities (2020)
  • 著者名/発表者名: Yasuda Takunori、Shigeta Yasuteru、Harada Ryuhei
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 49 号: 7 ページ: 785-788
  • DOI: 10.1246/cl.200223
  • NAID: 130007872573
  • 査読あり
• [雑誌論文] Understanding the Detection Mechanisms and Ability of Molecular Hydrogen on ThreeDimensional Bicontinuous Nanoporous Reduced Graphene Oxide (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshikazu Ito, Megumi Kayanuma, Yasuteru Shigeta, Jun-ichi Fujita, Yoichi Tanabe
  • 雑誌名: Materials 巻: 13 号: 10 ページ: 2259-2259
  • DOI: 10.3390/ma13102259
  • NAID: 120007166901
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Analytical Method Using a Scaled Hypersphere Search for High-Dimensional Metadynamics Simulations (2020)
  • 著者名/発表者名: Mitsuta Yuki、Shigeta Yasuteru
  • 雑誌名: Journal of Chemical Theory and Computation 巻: 16 号: 6 ページ: 3869-3878
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.0c00010
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reaction Mechanism of Monomeric Sarcosine Oxidase with N-Cyclopropylglycine (2020)
  • 著者名/発表者名: M.Shoji, Y.Abe, M.Boero, Y.Shigeta, Y.Nishiya
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: - 号: 29 ページ: 16552-16561
  • DOI: 10.1039/d0cp01679a
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Efficient Conformational Sampling of Collective Motions of Proteins with Principal Component Analysis-Based Parallel Cascade Selection Molecular Dynamics (2020)
  • 著者名/発表者名: Yasuda Takunori、Shigeta Yasuteru、Harada Ryuhei
  • 雑誌名: Journal of Chemical Information and Modeling 巻: 60 号: 8 ページ: 4021-4029
  • DOI: 10.1021/acs.jcim.0c00580
  • 査読あり
• [雑誌論文] Self-Associating Curved π-Electronic Systems with Electron-Donating and Hydrogen-Bonding Properties (2020)
  • 著者名/発表者名: Haketa Yohei、Miyasue Mika、Kobayashi Yoichi、Sato Ryuma、Shigeta Yasuteru、Yasuda Nobuhiro、Tamai Naoto、Maeda Hiromitsu
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 142 号: 38 ページ: 16420-16428
  • DOI: 10.1021/jacs.0c07751
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tunneling matrix element and tunneling pathways of protein electron transfer calculated with a fragment molecular orbital method (2020)
  • 著者名/発表者名: Kitoh-Nishioka Hirotaka、Shigeta Yasuteru、Ando Koji
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 153 号: 10 ページ: 104104-104104
  • DOI: 10.1063/5.0018423
  • 査読あり
• [雑誌論文] プロトン伝導性PVPA-<i>x</i>Im複合体のプロトン伝導機構の理論的解明 (2020)
  • 著者名/発表者名: HORI Yuta、SUETAKE Toshiya、IDA Tomonori、MIZUNO Motohiro、SHIGETA Yasuteru
  • 雑誌名: Journal of Computer Chemistry, Japan 巻: 19 号: 4 ページ: 131-132
  • DOI: 10.2477/jccj.2020-0028
  • NAID: 130008009669
  • ISSN: 1347-1767, 1347-3824
  • 査読あり
• [雑誌論文] 環状ペプチドの膜透過における溶媒和自由エネルギー計算 (2020)
  • 著者名/発表者名: YANAGI Kohki、HARADA Ryuhei、MITSUTA Yuki、SHIGETA Yasuteru
  • 雑誌名: Journal of Computer Chemistry, Japan 巻: 19 号: 4 ページ: 125-127
  • DOI: 10.2477/jccj.2021-0008
  • NAID: 130008009673
  • ISSN: 1347-1767, 1347-3824
• [雑誌論文] Reaction of threonine synthase with the substrate analogue 2-amino-5-phosphonopentanoate: Implications into the proton transfer at the active site (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Machida, T. Murakawa, A. Sakai, M. Shoji, Y. Shigeta, H. Hayashi
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 167 号: 4 ページ: 357-364
  • DOI: 10.1093/jb/mvz100
  • NAID: 40022210984
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Multiple Virtual Screening Strategies for the Discovery of Novel Compounds Active Against Dengue Virus: A Hit Identification Study (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Hengphasatporn, A. Garon, P. Wolschann, T. Langer, Y. Shigeta, T. Nguyen Thanh Huynh, W. Chavasiri, T. Saelee, S. Boonyasuppayakorn, T. Rungrotmongkol
  • 雑誌名: Scientia Pharmaceutica 巻: 88 号: 1 ページ: 2-2
  • DOI: 10.3390/scipharm88010002
  • NAID: 120007132939
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Estimation of Acid Dissociation Constants (pKa) of N-Containing Heterocycles in DMSO and Transferability of Gibbs Free Energy in Different Solvent Conditions (2020)
  • 著者名/発表者名: Hengphasatporn Kowit、Matsui Toru、Shigeta Yasuteru
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 49 号: 3 ページ: 307-310
  • DOI: 10.1246/cl.190946
  • NAID: 130007805919
  • 査読あり
• [雑誌論文] Distribution of Conter Ions in Negatively-charged Lipid/Water/Air Interface: Molecular Dynamics Study (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Takahashi, R. Harada, Y. Shigeta
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 49 号: 4 ページ: 361-363
  • DOI: 10.1246/cl.200043
  • NAID: 130007828859
  • 査読あり
• [雑誌論文] Local Structures and Dynamics of Imidazole Molecules in Poly(vinylphosphonic acid)?Imidazole Composite Investigated by Molecular Dynamics (2020)
  • 著者名/発表者名: Hori Yuta、Suetake Toshiya、Shiota Yoshihito、Yoshizawa Kazunari、Shigeta Yasuteru、Ida Tomonori、Mizuno Motohiro
  • 雑誌名: ACS Applied Polymer Materials 巻: 2 号: 4 ページ: 1561-1568
  • DOI: 10.1021/acsapm.9b01222
  • 査読あり
• [雑誌論文] Elucidation of the entire Kok cycle for photosynthetic water oxidation by the large-scale quantum mechanics/molecular mechanics calculations: Comparison with the experimental results by the recent serial femtosecond crystallography (2019)
  • 著者名/発表者名: Shoji Mitsuo、Isobe Hiroshi、Shen Jian-Ren、Suga Michihiro、Akita Fusamichi、Miyagawa Koichi、Shigeta Yasuteru、Yamaguchi Kizashi
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 730 ページ: 416-425
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2019.06.026
  • 査読あり
• [雑誌論文] Accessing the Accuracy of Density Functional Theory through Structure and Dynamics of the Water/Air Interface (2019)
  • 著者名/発表者名: Ohto Tatsuhiko、Dodia Mayank、Xu Jianhang、Imoto Sho、Tang Fujie、Zysk Frederik、Kuehne Thomas D.、Shigeta Yasuteru、Bonn Mischa、Wu Xifan、Nagata Yuki
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 10 号: 17 ページ: 4914-4919
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b01983
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Covid-19関連タンパク質に対する統合的インシリコリポジショニング (2021)
  • 著者名/発表者名: 重田育照
  • 学会等名: HPCIオープンセミナー「スーパーコンピュータとCOVID-19」
  • 招待講演
• [学会発表] 計算化学による生命機能の解析:医薬分野との協働に向けて (2020)
  • 著者名/発表者名: 重田育照
  • 学会等名: 第93回 日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] Covid-19関連タンパク質に対する統合的インシリコリポジショニング (2020)
  • 著者名/発表者名: 重田育照
  • 学会等名: 第9回 JCAHPC セミナー（第4回OFP 利用活用報告会）「人類と地球を守るスーパーコンピューティング」
  • 招待講演
• [学会発表] Computational Studies on Octanol/water Partition Coefficient of Organic Molecules (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Shigeta
  • 学会等名: 7th International Conference on Chemical and Biological Sciences
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Theoretical Investigation on Photofunctional pi-electron Materials (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Shigeta
  • 学会等名: pi-system figuration European-Japanese workshop 201
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Theoretical Studies on Membrane Permeability of Middle-sized Molecular Drugs using Implicit Membrane Models (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Shigeta
  • 学会等名: 5th Japan-Thai workshop on Theoretical and Computational Chemistry 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Theoretical Studies on Membrane Permeability of Middle-sized Molecular Drugs (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Shigeta
  • 学会等名: 10th The Asian Consortium on Computational Materials Science
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Theoretical Studies on Reaction Mechanisms of Metalloenzymes: QM/MM analyses (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Shigeta
  • 学会等名: 23rd International Annual Symposium on Computational Science and Engineering
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] データ同化型分子動力学計算法の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 重田育照
  • 学会等名: 膜タンパク質研究会2019
  • 招待講演
• [学会発表] 青色受容タンパク質クリプトクロムの多様な機能と磁気感受応答に関する理論的アプローチ (2019)
  • 著者名/発表者名: 重田育照
  • 学会等名: 量子生命科学会第１回大会
  • 招待講演