タンパク質機能におけるｐＫａ制御の分子機構

• 研究領域: 揺らぎが機能を決める生命分子の科学
• 研究課題/領域番号: 23107717
• 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: 京都大学
• 研究代表者: 林 重彦 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (70402758)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2013-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2012年度)
• 配分額: 7,020千円 (直接経費: 5,400千円、間接経費: 1,620千円); 2012年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円); 2011年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
• キーワード: pKa 計算 / QM/MM 法 / 分子動力学法 / リゾチーム / 緑色蛍光タンパク質 / pKa計算 / QM/MM / バクテリオロドプシン / タンパク質膜挿入

研究実績の概要

1. 非経験的 pKa 計算法の開発：　高精度の QM/MM 相互作用の記述を達成するために、これまでの点電荷相互作用演算子を拡張し、多極子相互作用演算子を開発した。多極子は双極子及び四重極子まで取り入れて、水素結合の記述の改善を計った。また、近距離での遮蔽効果を取り込むために、近距離減衰関数を導入した。この関数系を用いて、様々な分子に対して電子密度による静電ポテンシャルや水中での水の動径分布関数の再現性を検討し、非常に良く再現できることを確認した。特に、アンモニアについては、遮蔽効果のみならず、多極子効果が水の動径分布関数の再現に必須であることが明らかになった。更に、この多極子相互作用演算子を QM/MM RWFE-SCF 法に導入し、精度の良い自由エネルギー構造最適化を開発した。その結果、水素結合などの指向性の高い配位による溶媒和構造を正確に記述することに成功した。また、本手法をタンパク質の pKa 計算に用いるため、リゾチームを対象とし、特異的な pKa を示すカルボン酸の自由エネルギー構造最適化を行った。

2. 緑色蛍光タンパク質（GFP） の蛍光スペクトルと発色団の pKa の解析：　GFP の光吸収及び蛍光スペクトルの不均一拡がりを QM/MM RWFE-SCF 法を用いて計算した。蛍光スペクトルの不均一拡がりの計算は、電子励起状態におけるタンパク質の構造サンプリングが必要なため、これまでのアプローチでは困難であったが、QM/MM RWFE-SCF 法で励起状態での自由エネルギー最適構造を決定し、最適構造でのタンパク質の揺らぎと振動構造からの寄与を計算することにより、高精度な計算が可能となった。この際、タンパク質の揺らぎに応答する電子状態の変化も、線形近似により考慮した。その結果、光吸収と蛍光スペクトルの拡がり幅の顕著な違いの分子起源を明らかにすることに成功した。

現在までの達成度 (段落)

24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

24年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] The reaction mechanism of Claisen rearrangement obtained by transition state spectroscopy and single direct-dynamics trajectory (2013)
  • 著者名/発表者名: Izumi Iwakura, Yu Kaneko, Shigehiko Hayashi, Atsushi Yabushita, and Takayoshi Kobayashi
  • 雑誌名: Molecules 巻: 18 号: 2 ページ: 1995-2004
  • DOI: 10.3390/molecules18021995
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural and Spectral Characterization of C1C2 Channelrhodopsin and its Mutants by Molecular Simulations (2013)
  • 著者名/発表者名: Motoshi Kamiya, Hideaki E. Kato, Ryuichiro Ishitani, Osamu Nureki, Shigehiko Hayashi
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 556 ページ: 266-271
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2012.11.066
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular Mechanism of ATP Hydrolysis in F_1-ATPase Revealed by Molecular Simulations and Single-Molecule Observations (2012)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi, Hiroshi Ueno, Abdul Rajjak Shaikh, Myco Umemura, Motoshi Kamiya, Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi, Yoshihiro Momoriya, Ryota Iino, Hiroyuki Noji
  • 雑誌名: Journal of American Chemical Society 巻: 134 号: 20 ページ: 8447-8454
  • DOI: 10.1021/ja211027m
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crucial role of protein flexibility in formation of a stable reaction transition state in an alpha-amylase catalysis (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Kosugi and Shigehiko Hayashi
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 134 号: 16 ページ: 7045-7055
  • DOI: 10.1021/ja212117m
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal structure of the channelrhodopsin light-gated cation channel (2012)
  • 著者名/発表者名: Hideaki E.Kato, Feng Zhang, Ofer Yizhar, Charu Ramakrishnan, Tomohiro Nishizawa, Kunio Hirata, Jumpei Ito, Yusuke Aita, Tomoya Tsukazaki, Shigehiko Hayashi, Peter Hegemann, Andres D.Maturana, Ryuichiro Ishitani, Karl Deisseroth, Osamu Nureki
  • 雑誌名: Nature 巻: 482 号: 7385 ページ: 369-374
  • DOI: 10.1038/nature10870
  • 査読あり
• [雑誌論文] QM/MM reweighting free energy SCF for geometry optimization on extensive free energy surface of enzymatic reaction (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Kosugi, Shigehiko Hayashi
  • 雑誌名: Journal of Chemical Theory and Computation 巻: 8 号: 1 ページ: 322-334
  • DOI: 10.1021/ct2005837
  • 査読あり
• [雑誌論文] A theoretical study on excited state double proton transfer reaction of a 7-azaindole dimer: an ab initio potential energy surface and its empirical valence bond model (2011)
  • 著者名/発表者名: K. Ando, S. Hayashi, S. Kato
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 13 号: 23 ページ: 11118-11127
  • DOI: 10.1039/c1cp20420c
  • 査読あり
• [学会発表] 分子シミュレーションから見た酵素の活性と柔らかさ (2013)
  • 著者名/発表者名: 林重彦
  • 学会等名: 日本化学会第 93 春季年会中長期テーマシンポジウム「複雑系 のための分子科学－複雑さと柔らかさ」
  • 発表場所: 草津・滋賀
  • 年月日: 2013-03-22
  • 招待講演
• [学会発表] Hybrid molecular simulations toward understanding enzymatic catalysis (2013)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Fifth Korea-Japan Seminars on Biomolecular Sciences: Experiments and Simulations
  • 発表場所: High 1 resort, Korea
  • 年月日: 2013-02-24
  • 招待講演
• [学会発表] Hybrid molecular simulations toward understanding enzymatic catalysis (2012)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Fifth International Symposium on Atomically Controlled Fabrication Technology
  • 発表場所: 大阪
  • 年月日: 2012-10-22
  • 招待講演
• [学会発表] 「理論解析」の観点から (2012)
  • 著者名/発表者名: 林重彦
  • 学会等名: 第4回光操作研究会「動作原理の理解と行動制御への応用」
  • 発表場所: 岡崎・愛知
  • 年月日: 2012-09-27
  • 招待講演
• [学会発表] Hybrid molecular simulations toward understanding enzymatic catalysis (2012)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: 14th International Congress of Quantum Chemistry
  • 発表場所: Boulder, USA
  • 年月日: 2012-06-25
  • 招待講演
• [学会発表] ハイブリッド分子シミュレーションで探る酵素活性の分子機構 (2012)
  • 著者名/発表者名: 林重彦
  • 学会等名: WIAS Top Runners’ Lecture Collection of Science「物質化学 におけるコンピュータ利用の最前線」
  • 発表場所: 早稲田・東京
  • 招待講演
• [学会発表] ハイブリッド分子シミュレーションで探る酵素活性の分子機構 (2011)
  • 著者名/発表者名: 林重彦
  • 学会等名: 大阪大学蛋白質研究所セミナー「蛋白質科学の未来を語る-実験・理論研究者の対話-」
  • 発表場所: 吹田(大阪)
  • 年月日: 2011-11-21
• [学会発表] Molecular mechanism of enzymatic reaction studied by the QM/MM reweighting free energy SCF method (2011)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi, Takahiro Kosugi
  • 学会等名: 日本生物物理学会・シンポジウム"New approaches for probing biomolecular fluctuations"
  • 発表場所: 姫路(兵庫)
  • 年月日: 2011-09-17
• [学会発表] Fukui International Symposium for Theoretical Chemistry (2011)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Fukui International Symposium for Theoretical Chemistry
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 2011-09-01
• [学会発表] Hybrid molecular simulations toward understanding enzymatic catalysis (2011)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Telluride Science Research Center Workshop on "Rise of the Machines : Integration of experiment, simulation and theory for a mechanistic understanding of biomolecular machines"
  • 発表場所: Telluride (USA)
  • 年月日: 2011-08-09
• [学会発表] Molecular mechanisms of enzymatic catalysis in F1-ATPase and a-amylase (2011)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: WATOC 2011
  • 発表場所: Santiago de Compostela (Spain)
  • 年月日: 2011-07-21
• [学会発表] Hybrid molecular simulations toward understanding enzymatic catalysis (2011)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: 2011 Korea Japan Symposium on Molecular Science "New Visions for Spectroscopy & Computation : Temporal and Spatial Adventures of Molecular Science"
  • 発表場所: 釜山(韓国)
  • 年月日: 2011-07-06
• [図書] 岩波講座計算科学第 4 巻 計算と生命, 第 3.3 章 (2012)
  • 著者名/発表者名: 林重彦
  • 出版者: 岩波書店