| 研究領域 | 高速分子動画法によるタンパク質非平衡状態構造解析と分子制御への応用 |
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| 研究課題/領域番号 |
22H04748
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| 研究種目 |
新学術領域研究(研究領域提案型)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
複合領域
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
林 重彦 京都大学, 理学研究科, 教授 (70402758)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円)
2023年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2022年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
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| キーワード | 分子シミュレーション / ハイブリッド法 / イクオリン / 発光タンパク質 / 光受容体輸送体 / 光受容イオン輸送体 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
多くのタンパク質では、化学反応活性部位における精緻な酵素反応や光化学反応が、遠位のリガンド・タンパク質結合部位と大規模なタンパク質構造変化を通して相関することにより、顕著な分子機能が発現する。本研究では、それらの化学反応とタンパク質ダイナミクスの相関の記述を可能にするハイブリッド自由エネルギー構造最適化法を用いて、TR-SFX 実験と共同でイクオリン発光タンパク質の発光制御機構の理論的解明を行う。また、光遺伝学で用いられている光駆動アニオンポンプであるハロロドプシンの光活性化過程の構造変化に関しても、イオン移動の自由エネルギープロファイル解析を行い、イオン能動輸送の分子機構を解明する。
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| 研究実績の概要 |
多くのタンパク質では、化学反応活性部位における精緻な酵素反応や光化学反応が、遠位のリガンド・タンパク質結合部位と大規模なタンパク質構造変化を通して相関することにより、顕著な分子機能が発現する。
本研究では、まずQM/MM RWFE-SCF 法を用いて、本研究領域の中津らによりTR-SFX 実験が進められている、イクオリン発光タンパク質の発光制御機構の解明を行った。これまでの計算で得られているイクオリンの resting 状態の自由エネルギー最適化構造と、中津らにより得られたカルシウムイオン結合構造に基づき、カルシウムイオン結合に伴う構造変化を MD シミュレーションにより明らかにした。その結果、タンパク質の大きな構造変化と、それに伴うイクオリン結合部位への水分子の侵入を観測した。また、その水分子の侵入により推定されるイクオリン分子内プロトン移動後の中間状態に対して、QM/MM RWFE-SCF 自由エネルギー構造最適化計算を行ったところ、化学発光前駆体であるジオキセタノン中間状態の自発的な生成を観測した。このジオキセタノン中間体の線形応答自由エネルギーは、非常に低く、エネルギー的に生成が可能であることを見出した。
また、NpHR のアニオンポンプ光活性化状態における、光活性化状態の構造モデリングを QM/MM RWFE-SCF 法を用いて行った。その結果、チャネル内のアルギニン側鎖が顕著に動き、C ヘリックスが屈曲し細胞内領域へのチャネルが開いた中間状態が得られた。その構造に対して、塩素イオン透過の自由エネルギープロファイルをアンブレラサンプリング法により計算した。その結果、その中間状態では、細胞内側のイオン結合部位へのイオン透過が可能となる自由エネルギープロファイルとなっていることを明らかにした。
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| 現在までの達成度 (段落) |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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