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非断熱QM/MM分子動力学計算による光駆動タンパク質の反応ダイナミクス

公募研究

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
研究課題/領域番号 22H04761
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 複合領域
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

八木 清  国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (30401128)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
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)
キーワードQM/MM計算 / 非断熱遷移 / 光駆動タンパク質 / ロドプシン / 励起状態ダイナミクス
研究開始時の研究の概要

ロドプシンは、光吸収により細胞膜間でプロトンやイオンを能動輸送する光駆動膜タンパク質である。近年、ロドプシンの時間分解結晶構造が得られるようになり、その光反応サイクルの全容解明が進行している。本課題では、高速QM/MM計算と非断熱分子動力学(MD)計算を開発する。計算のボトルネックとなる電子励起状態の量子化学(QM)計算を並列化し、生体環境を分子力場(MM)で表すことで、高速なQM/MM計算を実現する。また、電子状態間の非断熱遷移を考慮できるMD計算法を新たに開発する。開発した方法を様々なロドプシンに応用し、実験と共同し光化学過程とそれが誘起するタンパク質の構造変化を明らかにする。

研究実績の概要

近年、X線自由電子レーザとシリアルフェムト秒X線結晶構造解析(SFX)法の開発により、光駆動タンパク質の時間分解結晶構造が高分解能で得られるようになり、その反応サイクルの全容解明が可能になるつつある。しかし、SFXは空間・時間分解能の限界や結晶状態という制限が課題となっている。
本課題では、高速QM/MM計算と非断熱分子動力学(MD)計算を開発した。QM/MM法は興味ある空間を高精度な量子化学(QM)計算で扱い、生体環境を古典力場(MM)で扱うマルチスケール法である。計算のボトルネックとなる電子励起状態に対するQM計算を並列化し、超並列スパコンを用いることで、高速なQM/MM計算を実現した。また、通常のMD計算では単一の電子状態における分子運動を計算するが、これを多状態へ拡張し、電子励起状態と基底状態の間の非断熱遷移を考慮できる方法を新たに開発した。
具体的には、Yuらが提案した非断熱結合定数を必要としない方法[PCCP 16, 25883 (2014)]をMD計算プログラムGENESISに実装した。また、高い並列性を持つ量子化学計算プログラムQ-SimulateとGENESISを組み合わせることで、高速化を達成した。
応用例として、アゾベンゼンのcis-trans光異性化反応に対するQM/MM計算を実行した。アゾベンゼンは光化学反応のベンチマーク系である。しかし、先行の理論計算では、アゾベンゼン単分子のみを扱い、溶媒分子を考慮していなかった。本研究では、溶媒分子をあらわに扱うことで、アゾベンゼンから溶媒へのエネルギー緩和の動的課程など、これまでにない知見を得られた(論文準備中)。
現在、ロドプシンに対する計算が進行している。さらに、当初予定になかったが、本領域での共同研究として、DNA修復酵素の光電子移動反応に対する研究が立ち上がった。

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。

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。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (19件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 7件、 招待講演 14件)

  • [雑誌論文] Similarity scores of vibrational spectra reveal the atomistic structure of pentapeptides in multiple basins2024

    • 著者名/発表者名
      Otaki Hiroki、Ishiuchi Shun-ichi、Fujii Masaaki、Sugita Yuji、Yagi Kiyoshi
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 26 号: 13 ページ: 9906-9914

    • DOI

      10.1039/d4cp00064a

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Allosteric regulation of ホイ-reaction stage I in tryptophan synthase upon the ホア-ligand binding2023

    • 著者名/発表者名
      Shingo Ito, Kiyoshi Yagi, Yuji Sugita
    • 雑誌名

      J. Chem. Phys.

      巻: 158 号: 11 ページ: 115101-115101

    • DOI

      10.1063/5.0134117

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Similarity scoreによる振動スペクトルの一致度評価とピーク帰属2024

    • 著者名/発表者名
      八木清
    • 学会等名
      日本化学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Anharmonic vibrational calculations of complex systems: Applications to biomolecules and polymer materials2023

    • 著者名/発表者名
      Kiyoshi Yagi
    • 学会等名
      Einladung zum Mini-Symposium, Current developments in vibrational structure theory
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] QM/MM法の開発と酵素反応・光化学反応への応用2023

    • 著者名/発表者名
      八木清
    • 学会等名
      タンパク質科学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 高速QM/MM計算の開発と蛍光プローブ設計への応用2023

    • 著者名/発表者名
      八木清
    • 学会等名
      新学術領域「高速分子動画」第2回若手シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Acceleration of QM/MM-MD and Free-Energy Calculations of Enzymatic Reactions2023

    • 著者名/発表者名
      Kiyoshi Yagi
    • 学会等名
      Multi-scale Molecular Dynamics Simulation and Machine Learning of Biomolecular Systems
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Anharmonic vibrational calculations of biomolecules and polymers based on local coordinates2023

    • 著者名/発表者名
      Kiyoshi Yagi
    • 学会等名
      The 5th Conference of Theory and Applications of Computational Chemistry
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Development of non-adiabatic QM/MM molecular dynamics method and applications to light-driven proteins2023

    • 著者名/発表者名
      Kiyoshi Yagi
    • 学会等名
      生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 非断熱QM/MM分子動力学計算による光駆動タンパク質の反応ダイナミクス2022

    • 著者名/発表者名
      八木清
    • 学会等名
      第20回「高速分子動画」オンラインセミナー
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 量子化学と分子動力学の融合によるアニオン交換膜の理論解析2022

    • 著者名/発表者名
      八木清
    • 学会等名
      第1回有機イオニクスワークショップ
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Reaction dynamics of light-driven protein studied by non-adiabatic QM/MM molecular dynamics simulations2022

    • 著者名/発表者名
      Kiyoshi Yagi
    • 学会等名
      Molecular Movies International Symposium 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 分子動力学計算によるトリプトファン合成酵素におけるアロステリック機構の解明2022

    • 著者名/発表者名
      伊東真吾,八木清,杉田有治
    • 学会等名
      第22回日本蛋白質科学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] QM/MM法の開発と生体分子の振動解析と化学反応への応用2022

    • 著者名/発表者名
      八木清
    • 学会等名
      物性研短期研究会「理論タンパク質物性科学の最前線:理論と実験との密な協働」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Development of QM/MM methods and applications to chemical reactions of biomolecules2022

    • 著者名/発表者名
      Kiyoshi Yagi
    • 学会等名
      Tokyo Metropolitan University, Mini workshop
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Searching for the Structure of a Capped Pentapeptide, SIVSF, Using a Similarity Score of Infrared Spectra2022

    • 著者名/発表者名
      Kiyoshi Yagi
    • 学会等名
      3rd International Symposium of JSPS Core-to-Core Program on Molecular Recognition Mechanism between Flexible Molecules
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 非調和性を考慮した振動スペクトル計算手法の開発と応用2022

    • 著者名/発表者名
      八木清
    • 学会等名
      日本分光学会年次講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Anharmonic Vibrational Analyses of Bacteriorhodopsin by QM/MM Calculations2022

    • 著者名/発表者名
      Kiyoshi Yagi
    • 学会等名
      19th International Conference on Retinal Protein
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of QM/MM methods and applications to chemical reactions of biomolecules2022

    • 著者名/発表者名
      八木清
    • 学会等名
      開拓研究本部 化学・工学 合同ワークショップ
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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