水を通して見る生体分子夾雑系の情報熱力学

2021 年度 実績報告書

• 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: 分子動力学法 / 細胞内分子夾雑 / タンパク質多量体 / 非平衡解離過程 / 加水分解反応 / 発熱反応 / 温度緩和 / エネルギー移動

研究実績の概要

今年度の成果としては、まず、本研究プロジェクトで開発した混合モンテカルロ分子動力学法を用いて、トリプトファン合成酵素4量体などの多量体タンパク質の解離経路探索を行い、質量分析法と整合する結果を得ることができた。細胞内夾雑環境を想定して我々が新たに開発した多量体タンパク質解離過程に対するシミュレーション手法により、質量分析や多タンパク質ドッキングシミュレーションでは得られない全原子構造遷移トラジェクトリーを計算することが可能となり、解離過程の分子ダイナミクスを解析する上での基礎を与えるとともに、従来の手法では到達できない時間スケールで進行する現象を初めて扱えるようになった。今年度はさらに、力場切り替え法を用いた実効的な化学反応シミュレーション手法の開発と応用を行い、化学反応直後でリガンド分子の変化が力学的仕事の発生に本質的役割を果たすことを示した。具体的には、Rasタンパク質をモデルとしてGTP加水分解による力学的仕事がリン酸結合ループ（P-loop）に保持されることを明らかにした。このモチーフはATPaseおよびGTPaseに広く存在し、Ras以外のP-loopに関しても力学的仕事の保持機能を持つことが期待されるため、本手法はGTPやATPの加水分解に限らず化学反応素過程一般に対して汎用的に用いることができ、「複合化学反応シミュレーション」における反応モデリング手法となり得、現実的計算コストでの生化学反応群のシミュレートの実現につながる。また、ここで対象としたRas-GAP-GTP系に対し、非平衡解離過程にあるタンパク質複合体における化学反応（発熱反応）に伴う温度・熱緩和の微視的なシミュレーション解析を行い、タンパク質の構造変化に利用できる方向性を持った（質の高い）運動エネルギーやそれに付随した温度の緩和が極めて速い（ピコ秒以下）ことを見出した。

現在までの達成度 (段落)

令和3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3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] Remarked suppression of Aβ42 protomer-protomer dissociation reaction elucidated by molecular dynamics simulation (2022)
  • 著者名/発表者名: Kurisaki Ikuo、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics 巻: 2022 ページ: 1～9
  • DOI: 10.1002/prot.26319
  • 査読あり
• [雑誌論文] Computational prediction of heteromeric protein complex disassembly order using hybrid Monte Carlo/molecular dynamics simulation (2022)
  • 著者名/発表者名: Kurisaki Ikuo、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 24 ページ: 10575～10587
  • DOI: 10.1039/d2cp00267a
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reaction Pathway Sampling and Free-Energy Analyses for Multimeric Protein Complex Disassembly by Employing Hybrid Configuration Bias Monte Carlo/Molecular Dynamics Simulation (2021)
  • 著者名/発表者名: Kurisaki Ikuo、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: ACS Omega 巻: 6 ページ: 4749～4758
  • DOI: 10.1021/acsomega.0c05579
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Molecular recognition of SARS-CoV-2 spike glycoprotein: quantum chemical hot spot and epitope analyses (2021)
  • 著者名/発表者名: Watanabe Chiduru、Okiyama Yoshio、Tanaka Shigenori、Fukuzawa Kaori、Honma Teruki
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 12 ページ: 4722～4739
  • DOI: 10.1039/d0sc06528e
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Statistical interaction analyses between SARS-CoV-2 main protease and inhibitor N3 by combining molecular dynamics simulation and fragment molecular orbital calculation (2021)
  • 著者名/発表者名: Hatada Ryo、Okuwaki Koji、Akisawa Kazuki、Mochizuki Yuji、Handa Yuma、Fukuzawa Kaori、Komeiji Yuto、Okiyama Yoshio、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 14 ページ: 027003～027003
  • DOI: 10.35848/1882-0786/abdac6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] In silico modeling of PAX8-PPARγ fusion protein in thyroid carcinoma: influence of structural perturbation by fusion on ligand-binding affinity (2021)
  • 著者名/発表者名: Sakaguchi Kaori、Okiyama Yoshio、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: Journal of Computer-Aided Molecular Design 巻: 35 ページ: 629～642
  • DOI: 10.1007/s10822-021-00381-x
  • 査読あり
• [雑誌論文] Density-Matrix Based Scheme of Basis Selection for Linear Combination of Fragment Molecular Orbitals (2021)
  • 著者名/発表者名: Okiyama Yoshio、Mochizuki Yuji、Yamanaka Masanori、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 ページ: 064301～064301
  • DOI: 10.7566/JPSJ.90.064301
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dynamic Cooperativity of Ligand-Residue Interactions Evaluated with the Fragment Molecular Orbital Method (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Shigenori、Tokutomi Shusuke、Hatada Ryo、Okuwaki Koji、Akisawa Kazuki、Fukuzawa Kaori、Komeiji Yuto、Okiyama Yoshio、Mochizuki Yuji
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 125 ページ: 6501～6512
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.1c03043
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fragment molecular orbital based interaction analyses on complexes between SARS-CoV-2 RBD variants and ACE2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Akisawa Kazuki、Hatada Ryo、Okuwaki Koji、Kitahara Shun、Tachino Yusuke、Mochizuki Yuji、Komeiji Yuto、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 60 ページ: 090901～090901
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac1857
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Appearance of Thermal Time (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: Foundations of Physics 巻: 51 ページ: 34～34
  • DOI: 10.1007/s10701-021-00445-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Non-equilibrium Quantum Brain Dynamics II: Formulation in 3+1 dimensions (2021)
  • 著者名/発表者名: Nishiyama Akihiro、Tanaka Shigenori、Tuszynski Jack A.
  • 雑誌名: Physica A: Statistical Mechanics and its Applications 巻: 567 ページ: 125706～125706
  • DOI: 10.1016/j.physa.2020.125706
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improvement of the Force Field for β-d-Glucose with Machine Learning (2021)
  • 著者名/発表者名: Ikejo Makoto、Watanabe Hirofumi、Shimamura Kohei、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: Molecules 巻: 26 ページ: 6691～6691
  • DOI: 10.3390/molecules26216691
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Elucidating microscopic events driven by GTP hydrolysis reaction in the Ras-GAP system with semi-reactive molecular dynamics simulations: the alternative role of a phosphate binding loop for mechanical energy storage (2021)
  • 著者名/発表者名: Kurisaki Ikuo、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 23 ページ: 26151～26164
  • DOI: 10.1039/D1CP04061H
  • 査読あり
• [雑誌論文] Collective residue interactions in trimer complexes of SARS-CoV-2 spike proteins analyzed by fragment molecular orbital method (2021)
  • 著者名/発表者名: Okuwaki Koji、Akisawa Kazuki、Hatada Ryo、Mochizuki Yuji、Fukuzawa Kaori、Komeiji Yuto、Tanaka Shigenori
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 15 ページ: 017001～017001
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac4300
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Dynamical Association/Dissociation Processes of Biomolecules in Crowding Conditions (2022)
  • 著者名/発表者名: Shigenori Tanaka
  • 学会等名: 2nd International Symposium on Chemistry for Multimolecular Crowding Biosystems (CMCB2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] Recent Advances of the Fragment Molecular Orbital Method: Enhanced Performance and Applicability (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Mochizuki, S. Tanaka, K. Fukuzawa
  • 総ページ数: 616
  • 出版者: Springer
  • ISBN: 978-981-15-9234-8
• [図書] Entropy-Enthalpy Compensation: Finding a Methodological Common Denominator through Probability, Statistics, and Physics (2021)
  • 著者名/発表者名: E.B. Starikov, B. Norden, S. Tanaka
  • 総ページ数: 398
  • 出版者: Jenny Stanford Publishing
  • ISBN: 978-981-4877-30-5
• [備考] 神戸大学大学院システム情報学研究科計算科学専攻田中研究室ホームページ
  • URL: http://eniac.scitec.kobe-u.ac.jp/tanaka/