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2018 年度 実績報告書

水を通して見る生体分子夾雑系の情報熱力学

計画研究

研究領域分子夾雑の生命化学
研究課題/領域番号 17H06353
研究機関神戸大学

研究代表者

田中 成典  神戸大学, システム情報学研究科, 教授 (10379480)

研究期間 (年度) 2017-06-30 – 2022-03-31
キーワード分子夾雑 / 第一原理計算 / 生体分子 / 水 / 非平衡熱力学 / 生命の起源
研究実績の概要

細胞中などの分子夾雑環境下における生命化学の総合的理解に向けて、H30年度は主に以下の3項目の検討を進めた。(1) アルツハイマー病の原因とされるAβ(1-42)アミロイド繊維をモデルとして、ATPによるタンパク質凝集構造溶解の微視的メカニズム解明に着手した。分子動力学(MD)シミュレーションを用いた動力学的および熱力学的解析から、ATPはAβ(1-42)の単量体に配位することでアミロイド繊維への会合を阻害し、繊維化の進行を阻止することが示唆された。また、Aβ(1-42)の解離は、熱揺らぎの下で10%程度現れる構造を中心に起こるという知見が得られた。(2) 細胞内のナノ領域での熱伝導や温度緩和のメカニズムを解明するための分子シミュレーションを開始した。最も単純なモデルとして、1-10Åサイズの半径と温度の異なった2成分剛体球システムにおける温度緩和のMDシミュレーションを実行し、一般化されたボルツマン方程式による解析結果と比較検討した。また、水中に置かれた高温のタンパク質から周囲の溶媒への熱伝導のMDシミュレーションを行い、ナノ領域における熱伝導度・熱コンダクタンスの定量的評価を行っている。さらに、水環境下でのナノスケールの量子化熱伝導の理論解析も進めている。(3) 水中の非標準核酸四重鎖構造の安定性がポリエチレングリコールなどの添加剤の影響で変化する分子メカニズム(分子夾雑効果)についてMD法、FMO(フラグメント分子軌道)法などに基づく分子シミュレーションにより解析し議論した。また、夾雑分子が形成する凝集・クラスター構造に関し、相分離現象の観点から定量的な解析を進めている。(領域内の甲南大学との共同研究)

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

上記「研究実績の概要」でも述べたように、「水を通して見る生体分子夾雑系の情報熱力学」をテーマとした研究が着実に進行している。研究グループ内の組織的にも、代表者・田中、連携研究者・蛯名に加えて、神戸大学助教・島村孝平、本プロジェクトの特命講師・栗崎以久男、さらにプロジェクト研究員(梅垣、スタリコフ)が連携研究者として加わり、研究体制が整った。これらの研究チームメンバーが協力して、今後、「水を通して見る生体分子夾雑系の情報熱力学」テーマに関わる理論的手法の整備や計算機シミュレーションの実行を進めるとともに、本科研費新学術領域「分子夾雑の生命化学」の他の研究グループ(公募研究班も含む)と連携して、実験-シミュレーションの共同研究をさらに推進する予定である。実際、甲南大学の杉本グループとの非標準核酸構造に関する研究が進展中であり、また、アミロイド繊維の研究に関しても、大阪大学・後藤グループとの連携を視野に入れている。なお、物質科学の立場から生命科学を理論解析する方法論をまとめたテキストとして、「計算分子生物学:物質科学からのアプローチ」という本を内田老鶴圃から出版した。

今後の研究の推進方策

(1) H30年度から引き続き、Aβ(1-42)をモデルとしてATPによるタンパク質凝集体溶解メカニズムの解明を進める。ATPが非特異的・汎用的なタンパク質溶解剤として働くことは知られているが、その物理化学的な仕組みは全く分かっていない。そこで、ATPとAβ(1-42)の相互作用様式を原子レベルで解析することで、ATPの作用メカニズムの微視的理解を進める。Aβ(1-42)について知見を得た後は、ATPによる溶解作用が確認されているFUSやTAFなどの機能性タンパク質について、溶解過程の動力学的および熱力学的性質をシミュレートし、ATPの作用メカニズムの相違を検証する予定である。また、同様の問題意識をもった領域内の実験研究者との議論も進め、ATPなどのhydrotropeによるタンパク質凝集体溶解メカニズムの解明を目指すとともに、広く「相分離生物学」の発展に寄与する。(2) 細胞内分子夾雑環境下での温度緩和・熱伝導の分子シミュレーションをさらに進め、タンパク質や核酸分子の関わる化学反応により発生した熱がどのような時間・空間スケールで伝導・緩和するかの統一的・定量的描像を与え、「温度生物学」のより深い理解へとつなげる。また、実際に細胞内の局所温度変化を計測している実験研究者とのコラボレーションも開始する。(3) 2019年度以降、生体内分子夾雑環境下における量子効果に着目した研究を開始する。上記(2)においても既に量子化熱伝導の解析を始めているが、それに加え、細胞内あるいは細胞間のnmからμm以上のメゾスケールにおいて、量子コヒーレンスが果たす物理化学・生物学的役割について、第一原理の分子シミュレーションに基づいた理論解析を進める。具体的な対象としては、光合成系や脳神経系を考えている。

  • 研究成果

    (15件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 2件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (4件) (うち招待講演 4件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] カールスルーエ工科大学(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      カールスルーエ工科大学
  • [雑誌論文] Ab Initio Molecular Dynamics Study of Prebiotic Production Processes of Organic Compounds at Meteorite Impacts on Ocean2019

    • 著者名/発表者名
      K. Shimamura, F. Shimojo, A. Nakano, S. Tanaka
    • 雑誌名

      J. Comput. Chem.

      巻: 40 ページ: 349-359

    • DOI

      https://doi.org/10.1002/jcc.25606

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Development of an Automated Fragment Molecular Orbital (FMO) Calculation Protocol toward Construction of Quantum Mechanical Calculation Database for Large Biomolecules2019

    • 著者名/発表者名
      C. Watanabe, H. Watanabe, Y. Okiyama, D. Takaya, K. Fukuzawa, S. Tanaka, T. Honma
    • 雑誌名

      Chem-Bio Informatics J.

      巻: 19 ページ: 5-18

    • DOI

      https://doi.org/10.1273/cbij.19.5

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Fragment Molecular Orbital Calculations with Implicit Solvent Based on the Poisson-Boltzmann Equation: II. Protein and Its Ligand-Binding System Studies2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Okiyama, C. Watanabe, K. Fukuzawa, Y. Mochizuki, T. Nakano, S. Tanaka
    • 雑誌名

      J. Phys. Chem. B

      巻: 123 ページ: 957-973

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.8b09326

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Application of Singular Value Decomposition to the Inter-Fragment Interaction Energy Analysis for Ligand Screening2018

    • 著者名/発表者名
      K. Maruyama, Y. Sheng, H. Watanabe, K. Fukuzawa, S. Tanaka
    • 雑誌名

      Comput. Theor. Chem.

      巻: 1132 ページ: 23-34

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.comptc.2018.04.001

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Towards Good Correlation between Fragment Molecular Orbital Interaction Energies and Experimental IC50 for Ligand Binding: A Case Study of p38 MAP Kinase2018

    • 著者名/発表者名
      Y. Sheng, H. Watanabe, K. Maruyama, C. Watanabe, Y. Okiyama, T. Honma, K. Fukuzawa, S. Tanaka
    • 雑誌名

      Comput. Struct. Biotech. J.

      巻: 16 ページ: 421-434

    • DOI

      10.1016/j.csbj.2018.10.003

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Computational Analysis of the Interaction Energies between Amino Acid Residues of the Measles Virus Hemagglutinin and Its Receptors2018

    • 著者名/発表者名
      F. Xu, S. Tanaka, H. Watanabe, Y. Shimane, M. Iwasawa, K. Ohishi, T. Maruyama
    • 雑誌名

      Viruses

      巻: 10 ページ: 236 (18 pages)

    • DOI

      10.3390/v10050236

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Fragment Molecular Orbital Calculations with Implicit Solvent Based on the Poisson-Boltzmann Equation: Implementation and DNA Study2018

    • 著者名/発表者名
      Y. Okiyama, T. Nakano, C. Watanabe, K. Fukuzawa, Y. Mochizuki, S. Tanaka
    • 雑誌名

      J. Phys. Chem. B

      巻: 122 ページ: 4457-4471

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcb.8b01172

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Pursuing Origins of (Poly)ethylene Glycol-induced G-quadruplex Structural Modulations2018

    • 著者名/発表者名
      M. Trajkovski, T. Endoh, H. Tateishi-Karimata, T. Ohyama, S. Tanaka, J. Plavec, N. Sugimoto
    • 雑誌名

      Nucl. Acids Res.

      巻: 46 ページ: 4301-4315

    • DOI

      10.1093/nar/gky250

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] FMOデータベースの情報科学的な活用2019

    • 著者名/発表者名
      田中成典
    • 学会等名
      日本薬学会第139年会
    • 招待講演
  • [学会発表] ライフサイエンスと量子コンピューティング2018

    • 著者名/発表者名
      田中成典
    • 学会等名
      第25回バイオメディカル研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] BINDSインシリコユニットの紹介2018

    • 著者名/発表者名
      田中成典
    • 学会等名
      CBI学会2018年大会
    • 招待講演
  • [学会発表] インシリコ創薬の展望2018

    • 著者名/発表者名
      田中成典
    • 学会等名
      第56回日本生物物理学会年会
    • 招待講演
  • [図書] 計算分子生物学:物質科学からのアプローチ2018

    • 著者名/発表者名
      田中成典
    • 総ページ数
      184
    • 出版者
      内田老鶴圃
    • ISBN
      978-4-7536-2313-6
  • [備考] 神戸大学田中研究室ホームページ

    • URL

      http://eniac.scitec.kobe-u.ac.jp/tanaka/

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公開日: 2019-12-27  

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