X線回折散乱実験と分子シミュレーションを用いた生体分子の動的構造の解析

• 研究領域: 理論と実験の協奏による柔らかな分子系の機能の科学
• 研究課題/領域番号: 26104535
• 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: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 苙口 友隆 慶應義塾大学, 理工学部, 講師 (90589821)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015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); 2015年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2014年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
• キーワード: 生体分子 / 動的構造 / 水和構造 / 分子動力学シミュレーション / 原子間力顕微鏡 / 溶液X線散乱 / マルチスケール構造サンプリング / 機能的構造揺らぎ / 構造サンプリング法

研究実績の概要

本研究は、生体分子の機能とは、その構造が持つ柔らかさを応答関数とした外部刺激に対する応答と定義し、その作動原理を明らかにすることを目的としている。そのために、分子動力学(MD)シミュレーションと、溶液X線散乱(SAXS)や原子間力顕微鏡(AFM)といった実験を組み合わせることにより、定まった立体構造を持つ酵素のドメイン運動から、解けた構造で機能する天然変性蛋白質の機能的動きまで、様々な柔らかさの階層を持つ動的構造の可視化を行ってきた。
1.グルタミン酸脱水素酵素(GDH)の動的構造の解析
平成27年度においては、ドメイン運動を行う酵素の例としてGDHを対象として、MD及びAFMによりその作動原理を調べてきた。その結果、GDHは基質非結合状態において既に、基質を認識する動きであるドメイン間が閉じる運動を行っていることを明らかにした。また、MDトラジェクトリーの詳細な解析により、活性クレフトの奥にて起きる協同的な脱水和がドメイン運動を引き起こしていることを明らかにした。本年度は、シミュレーションから得られたドメイン運動のメカニズムを実験的に検証するために、活性クレフト奥の水和構造を変化させると予測されるアミノ酸残基変異を導入し、GDHの機能への影響を調べた。その結果、計算からの予測と一致した実験結果が得られた。これらの研究成果は、Scientific Reports誌に投稿し現在査読中である。さらにGDHの動的構造を、SAXSとMDシミュレーションを組み合わせた構造解析法(MD-SAXS法)によって解析し、実験SAXSデータをほぼ再現する結果が得られている。
2.天然変性蛋白質の動的構造の解析
昨年度は、MD-SAXS法を新しい構造サンプリング法であるマルチスケールMD法と組み合わせ発展させてきた。本年度は、新しく開発したMD-SAXS法を、天然変性蛋白質であるATP合成酵素F1-ATPaseのepsilon(TF1e)の機能的構造揺らぎの解析を行っている段階である。

現在までの達成度 (段落)

27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

27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] Classification and assessment of retrieved electron density maps in coherent X-ray diffraction imaging using multivariate statistics (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Sekiguchi, T. Oroguchi and M. Nakasako
  • 雑誌名: Journal of Synchrotron Radiation 巻: 23 号: 1 ページ: 312-323
  • DOI: 10.1107/s1600577515018202
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Classification of projection images of proteins with structural polymorphism by manifold: A simulation study for X-ray free-electron laser diffraction imaging (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Yoshidome, T. Oroguchi, M. Nakasako and M. Ikeguchi
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 92 号: 3 ページ: 032710-032723
  • DOI: 10.1103/physreve.92.032710
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Cryogenic coherent x-ray diffraction imaging for biological non-crystalline particles using the KOTOBUKI-1 diffraction apparatus at SACLA (2015)
  • 著者名/発表者名: Tomotaka Oroguchi, Yuki Sekiguchi, Amane Kobayashi,Yu Masaki, Asahi Fukuda, Saki Hashimoto, Masayoshi Nakasako, Yuichi Ichikawa, Hitoshi Kurumizaka, Mitsuhiro Shimizu et al.,
  • 雑誌名: Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics 巻: 48 号: 18 ページ: 184003-184003
  • DOI: 10.1088/0953-4075/48/18/184003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Coherent X-ray diffraction imaging of chloroplasts from Cyanidioschyzon merolae by using X-ray free electron laser. (2015)
  • 著者名/発表者名: Takayama, Y., Inui, Y., Sekiguchi, Y., Kobayashi, A., Oroguchi, T., Yamamoto, M., Matsunaga, S., and Nakasako, M.
  • 雑誌名: PLANT AND CELL PHYSIOLOGY 巻: 未定 号: 7 ページ: 1-15
  • DOI: 10.1093/pcp/pcv032
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Coherent X-ray diffraction imaging of chloroplasts from Cyanidioschyzon merolae by using X-ray free electron laser (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuki Takayama, Yayoi Inui Yuki Sekiguchi1, Amane Kobayashi, Tomotaka Oroguchi, Masaki Yamamoto, Sachihiro Matsunaga and Masayoshi Nakasako
  • 雑誌名: PLANT CELL PHYSIOLOGY 巻: in press
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Signal-enhancement and Patterson-search phasing for high-spatial-resolution coherent X-ray diffraction imaging of biological objects (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Takayama, S. Maki-Yonekura, T. Oroguchi, M. Nakasako and K. Yonekura
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 5 号: 1 ページ: 8074-8074
  • DOI: 10.1038/srep08074
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dark-field phase retrieval under the constraint of the Friedel symmetry in coherent X-ray diffraction imaging (2014)
  • 著者名/発表者名: Amane Kobayashi, Yuki Sekiguchi, Yuki Takayama, Tomotaka Oroguchi, and Masayoshi Nakasako
  • 雑誌名: OPTICAL EXPRESS 巻: 22 ページ: 27892-27909
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] IDATEN and G-SITENNO: GUI assisted software for coherent X-ray diffraction imaging experiments and data analyses at SACLA (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuki Sekiguchi, Masaki Yamamoto, Tomotaka Oroguchi, Yuki Takayama, Shigeyuki Suzuki and Masayoshi Nakasako
  • 雑誌名: JOURNAL OF SYNCHROTRON RADIATION 巻: 21 ページ: 1378-1383
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Single shot three-dimensional imaging of high-index-faceted nanocrystals with femtosecond X-ray free electron laser pulses (2014)
  • 著者名/発表者名: R. Xu, H. Jiang, C. Song, Z. Huang, J. A. Rodriguez, C-C. Chen, D. Nam, J. Park, M. Gallagher-Jones, S. Kim, S. Kim, A. Suzuki, Y. Takayama, T. Oroguchi, Y. Takahashi, J. Fan, Y. Zou, T. Hatsui, Y. Inubushi, T. Kameshima, K. Yonekura et al.
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 5 号: 1 ページ: 4061-4061
  • DOI: 10.1038/ncomms5061
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Nanoscale wetting and drying processes work as a switch for protein functional motions (2016)
  • 著者名/発表者名: 苙口 友隆
  • 学会等名: 日本化学会 第96春季年会
  • 発表場所: 同志社大学 (京都府・京田辺市)
  • 年月日: 2016-03-24
  • 招待講演
• [学会発表] Nanoscale wetting and drying processes control protein functional motions (2015)
  • 著者名/発表者名: 苙口友隆
  • 学会等名: 第53回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 金沢大学（石川県、金沢市）
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-15
  • 招待講演
• [学会発表] Nanoscale wetting and drying processes control protein functional motions (2015)
  • 著者名/発表者名: 苙口友隆
  • 学会等名: The 2015 TSRC workshop on Protein Dynamics
  • 発表場所: Telluride, USA
  • 年月日: 2015-08-03 – 2015-08-07
  • 招待講演
• [学会発表] Nanoscale wetting and drying processes dominate protein functional motions (2015)
  • 著者名/発表者名: Tomotaka Oroguchi
  • 学会等名: TSRC Protein Dynamics Workshop
  • 発表場所: Telluride (USA)
  • 年月日: 2015-08-03
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] グルタミン酸脱水素酵素のドメイン運動に協奏した水和構造変化 (2014)
  • 著者名/発表者名: 苙口友隆、中迫雅由
  • 学会等名: 第52回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 札幌コンベンションセンター（北海道、札幌市）
  • 年月日: 2014-09-25 – 2014-09-27