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生体膜に会合する化学コミュニケーション分子の機能解明と計算分子設計技術の開発

公募研究

研究領域化学コミュニケーションのフロンティア
研究課題/領域番号 20H04791
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
研究機関北陸大学

研究代表者

齋藤 大明  北陸大学, 薬学部, 准教授 (40506820)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
2021年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2020年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
キーワード分子シミュレーション / 分子モデリング / 自由エネルギー / 化学コミュミケーション / 機械学習
研究開始時の研究の概要

計算科学の方法を用いて,化合物の脂質膜への結合・透過・離脱能を高精度に予測する手法を開発する.1. 脂質の疎水鎖の長さや不飽和度を変更した脂質膜に標的化合物を挿入した分子動力学計算を行い,膜内での分子の動的構造や相互作用特性の詳細な解析を行う.2.自由エネルギー計算から,化合物の膜への会合・透過・離脱の起こりやすさを定量的に評価する計算技術を確立する.3.脂質や化合物の分子構成変化に対する膜への結合能を比較・評価する.1-3の課題研究によって得られた計算データを集積・解析し,新規の化合物開発のための分子設計指針を与える.

研究実績の概要

近年,化合物やペプチドを含む生体分子の膜会合の分子メカニズムの理解には,化合物やペプチドだけではなく,それを取り囲む脂質膜も含めた動的構造や相互作用特性の理解が重要であるとの研究が多数報告され,多くの注目を集めている.抗真菌活性を有するヘロナミド類は飽和型の脂質膜にはタイトに結合する一方で,不飽和型脂質膜には弱く結合することが報告されている.このようなヘロナミドの脂質膜への結合特性の違いは,ヘロナミドと脂質膜内における結合構造や相互作用特性の違いによるものと考えられる.このような分子会合の膜特異性の理解には会合分子と脂質膜の動的構造や相互作用特性の評価が課題となるが,添加分子を含んだ混合脂質膜は実験観測の難しさのために,これら特性は未だ明らかではなく,分子シミュレーションによる解析が望まれている.
本研究では、実験により合成・評価されているヘロナミド類の脂質膜における分子動力学(MD)シミュレーションを実施し、ヘロナミド類の膜内結合特性を具体的に明らかにする。各々の化合物の膜内における結合位置や分子配向の違いを詳細に解析し、ヘロナミドの膜内における構造や凝集特性の違いについて議論した。自由エネルギー値の比較の結果,膜からの離脱のエネルギー障壁では、heronamide Aの弱い膜結合特性がPMF計算より示された。これらは生物活性の評価実験と対応する結果であり、シミュレーションやPMF計算の正当性を示す結果である。さらに本研究では、ヘロナミドCの構造異性体、コレステロールやエゴステロールを20%濃度におけるMD計算も実施した。各々の系における膜内の構造や安定性に関する解析をし、それぞれヘロナミドの分子構造の違いに起因する、膜内構造や安定性の違いが解析計算により明らかとなった。

現在までの達成度 (段落)

令和3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3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (10件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] Molecular dynamics study of lipid bilayer asymmetry induced by ion concentration gradient and electronic polarizability2022

    • 著者名/発表者名
      Kawaguchi Kazutomo、Ito Seiichiro、Saito Hiroaki、Nagao Hidemi
    • 雑誌名

      Molecular Simulation

      巻: 48 号: 6 ページ: 477-483

    • DOI

      10.1080/08927022.2022.2025798

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Design, Synthesis, and Antifungal Activity of 16,17-Dihydroheronamide C and <i>ent</i>-Heronamide C2021

    • 著者名/発表者名
      Kanoh Naoki、Terashima Ryusei、Nishiyama Hiromichi、Terajima Yuta、Nagasawa Shota、Sasano Yusuke、Iwabuchi Yoshiharu、Saito Hiroaki、Egoshi Syusuke、Dodo Kosuke、Sodeoka Mikiko、Pan Chengqian、Ikeuchi Yoshinobu、Nishimura Shinichi、Kakeya Hideaki
    • 雑誌名

      The Journal of Organic Chemistry

      巻: 86 号: 23 ページ: 16249-16258

    • DOI

      10.1021/acs.joc.1c01761

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Extended JAZ degron sequence for plant hormone binding in jasmonate co-receptor of tomato SlCOI1-SlJAZ2021

    • 著者名/発表者名
      Saito Rina、Hayashi Kengo、Nomoto Haruna、Nakayama Misuzu、Takaoka Yousuke、Saito Hiroaki、Yamagami Souhei、Muto Toshiya、Ueda Minoru
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 11 号: 1 ページ: 13612-13612

    • DOI

      10.1038/s41598-021-93067-1

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] コロナチン立体異性体フォーカスドライブラリーを用いたジャスモン酸受容体サブタイプ選択的リガンドの開発2022

    • 著者名/発表者名
      林 謙吾, 加藤信樹, 野本春菜, 中山美涼, Khurram Bashir, Andrea Chini, 高橋聡史, 齋藤大明, 渡部楽, 高岡洋輔, 田中真帆, 永野惇, 関原明, Roberto Solano, 上田実
    • 学会等名
      日本農芸学会2022
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 分子動力学シミュレーションを用いたヘロナミド類の膜内構造と凝集性2021

    • 著者名/発表者名
      齋藤大明,叶直樹
    • 学会等名
      化学コミュニケーションのフロンティア第8回公開シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 植物ホルモン-受容体相互作用に寄与する拡張デグロン配列の同定2021

    • 著者名/発表者名
      中山美涼, 齊藤里菜, 林謙吾, 野本春菜, 高岡洋輔, 齋藤大明, 山神壮平, 武藤俊哉, 上田実
    • 学会等名
      第15回バイオ関連化学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 分子動力学シミュレーションを用いたヘロナミド類の膜内構造と結合特性2021

    • 著者名/発表者名
      齋藤大明,叶直樹
    • 学会等名
      第35回分子シミュレーション討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Dynamical structure and thermal stability of polyene macrolactam heronamides in lipid bilayer: A molecular dynamics study2021

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Saito,Naoki Kanoh
    • 学会等名
      The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2021[PACIFICHEM2021], Chemical Communications through Natural and Synthetic Bioactive Compounds (#79)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 生体膜に会合する化学コミュニケーション分子の機能解明と計算分子設計技術の開発2021

    • 著者名/発表者名
      齋藤大明
    • 学会等名
      科学コミュニケーションのフロンティア・第7回公開シンポジウム
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 分子動力学シミュレーションを用いたヘロナミド類の膜内構造と安定性2021

    • 著者名/発表者名
      齋藤大明・叶直樹
    • 学会等名
      科学コミュニケーションのフロンティア・第2回領域リトリート
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2022-12-28  

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