分子シミュレーションによるF_1_分子モーターの化学-力学エネルギー変換機構の解

2010 年度 研究成果報告書

• 研究領域: 膜超分子モーターの革新的ナノサイエンス
• 研究課題/領域番号: 18074004
• 研究種目: 特定領域研究
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 林 重彦 京都大学, 大学院・理学研究科, 准教授 (70402758)
• 研究分担者: 池口 満徳 横浜市立大学, 大学院・生命ナノシステム科学研究所, 准教授 (60261955)
• 研究期間 (年度): 2006 – 2010
• キーワード: 分子モーター / 酵素反応 / 分子シミュレーション / QM / MM法 / 分子動力学法

研究概要

分子シミュレーションの手法を用い、可逆的回転分子モーターであるF_1-ATPaseの化学-力学エネルギー変換機構を原子・電子レベルから解明した。まず、ATP分子の触媒活性およびその制御機構について、ハイブリッド量子力学・分子力学法を用いて理論的及び実験的に解明するとともに、触媒活性を増強する変異酵素の人工設計を行った。また、分子動力学計算を行うことにより、モーター動作に関わるタンパク質の構造変化を原子レベルから明らかにした。

研究成果

• [雑誌論文] On the rotation mechanism of F1-ATPase: crucial importance of water-entropy effect (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Yoshidome, Y.Ito, M.Ikeguchi, M.Kinoshita
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society vol.133 ページ: 4030-4039
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanism of the conformational change of the F1-ATPase β subunit revealed by free-energy simulations (2011)
  • 著者名/発表者名: Y.Ito, T.Oroguchi, M.Ikeguchi
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society vol.133 ページ: 3372-3380
  • 査読あり
• [雑誌論文] Local entropy difference upon a substrate binding of a psychrophilic α-amylase and a mesophilic homologue (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Kosugi, S.Hayashi
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters vol.501 ページ: 517-522
  • 査読あり
• [雑誌論文] Protein collective motions coupled to ligand migration in myoglobin (2010)
  • 著者名/発表者名: Y.Nishihara, S.Kato, S.Hayashi
  • 雑誌名: Biophysical Journal vol.98 ページ: 1649-1657
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural and functional analysis of the intrinsic inhibitor subunit ε of F1-ATPase from photosynthetic organisms (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Yagi, H.Konno, T.Murakami-Fuse, A.Isu, T.Oroguchi, H.Akutsu, M.Ikeguchi, T.Hisabori
  • 雑誌名: Biophysical Journal vol.425 ページ: 85-94
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural fluctuation and concerted motions in F1-ATPase: a molecular dynamics study (2010)
  • 著者名/発表者名: Y.Ito, M.Ikeguchi
  • 雑誌名: Journal of Computational Chemistry vol.31 ページ: 2175-2185
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular dynamics simulations of the isolated β subunit of F1-ATPase (2010)
  • 著者名/発表者名: Y.Ito, M.Ikeguchi
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters vol.490 ページ: 80-83
  • 査読あり
• [雑誌論文] Proton transfer reactions in reaction center of photosynthetic bacteria,Rhodobacter sphaeroides (2009)
  • 著者名/発表者名: Y.Kaneko, S.Hayashi, I.Ohmine
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry B vol.113 ページ: 8993-9003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transition state determination of enzyme reaction on free energy surface: Application to chorismate mutase (2007)
  • 著者名/発表者名: M.Higashi, S.Hayashi, S.Kato
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters vol.437 ページ: 293-297
  • 査読あり
• [雑誌論文] 分子シミュレーションによるF1-ATPaseの構造機能解析 (2007)
  • 著者名/発表者名: 林重彦
  • 雑誌名: 蛋白質核酸酵素 vol.52 ページ: 329-334
• [雑誌論文] 生物系の分子動力学シミュレーション (2007)
  • 著者名/発表者名: 池口満徳
  • 雑誌名: 日本物理学会誌 vol.62 ページ: 777-784
  • 査読あり
• [学会発表] Chemical reactions and molecular dynamics in functional processes of motor and photoreceptor proteins (2010)
  • 著者名/発表者名: S.Hayashi
  • 学会等名: Pacifichem 2010 Symposium "Computational Quantum Chemistry: Theory and Interactions with Experiment"
  • 発表場所: Honolulu(米国)
  • 年月日: 20101215-20101220
• [学会発表] Theoretical study on rotation mechanism of molecular motor F1-ATPase (2010)
  • 著者名/発表者名: M.Ikeguchi
  • 学会等名: Pacifichem 2010 Symposium "Computational Quantum Chemistry: Theory and Interactions with Experiment"
  • 発表場所: Honolulu(米国)
  • 年月日: 20101215-20101220
• [学会発表] F1-ATPaseの回転のメカニズムにおける水のエントロピーの重要性 (2010)
  • 著者名/発表者名: 吉留崇, 伊藤祐子, 池口満徳, 木下正弘
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 大阪
  • 年月日: 20100923-20100926
• [学会発表] Investigation of the conformational change of the F1-ATPase (β subunit) via molecular dynamics simulation (2010)
  • 著者名/発表者名: Y.Ito, T.Oroguchi, M.Ikeguchi
  • 学会等名: 日本生物物理学会第48回年会
  • 発表場所: 仙台
  • 年月日: 20100920-20100922
• [学会発表] Crucial importance of translational entropy of water in rotation mechanism of F1-ATPase (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Yoshidome, Y.Ito, M.Ikeguchi, M.Kinoshita
  • 学会等名: 日本生物物理学会第48回年会
  • 発表場所: 仙台
  • 年月日: 20100920-20100922
• [学会発表] 分子シミュレーションによるタンパク質機能の分子機構の解明 (2010)
  • 著者名/発表者名: 林重彦
  • 学会等名: 新学術領域研究「高次π 空間の創発と機能開発」第三回公開シンポジウム
  • 発表場所: 分子科学研究所
  • 年月日: 2010-03-15
• [学会発表] Structural fluctuation and cooperativity in F1-ATPase: a molecular dynamics study (2009)
  • 著者名/発表者名: Y.Ito, M.Ikeguchi
  • 学会等名: 日本生物物理学会第46回年会
  • 発表場所: 徳島文理大学
  • 年月日: 20091030-20091101
• [学会発表] 分子動力学を用いたF1-ATPaseの構造と機能解析 (2009)
  • 著者名/発表者名: 伊藤祐子, 池口満徳
  • 学会等名: 日本蛋白質科学会第9回年会
  • 発表場所: 熊本全日空ホテルニュースカイ
  • 年月日: 20090520-20090522
• [学会発表] Structure analysis of F1-ATPase via molecular dynamics (2009)
  • 著者名/発表者名: Y.Ito, M.Ikeguchi
  • 学会等名: 53rd Annual Meeting of Biophysical Society
  • 発表場所: Boston.
  • 年月日: 20090228-20090304
• [学会発表] Conformational change of F_1-ATPase ε subunit upon ATP binding studied by molecular dynamics simulations and X-ray scattering (2009)
  • 著者名/発表者名: T.Oroguchi, T.Kato-Yamada, H.Hashimoto, S.Unzai, M.Sato, M.Ikeguchi
  • 学会等名: 53rd Annual Meeting of Biophysical Society
  • 発表場所: Boston.
  • 年月日: 20090228-20090304
• [学会発表] Chemical Reactions and Molecular Dynamics in Functional Processes of Motor and Photoreceptor Proteins (2009)
  • 著者名/発表者名: S.Hayashi
  • 学会等名: 2nd Japan-Korea Seminar on Biomolecular Sciences-Experiments and Simulations
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 2009-12-23
• [学会発表] Molecular Simulations on Enzymatic Reactions and Structural Dynamics of F1-ATPase (2009)
  • 著者名/発表者名: S.Hayashi, M.Umemura, Y.Ito, M.Ikeguchi
  • 学会等名: International Symposium on "Innovative Nanoscience of Supermolecular Motor Proteins Working in Biomembrane"
  • 発表場所: 京都大学
  • 年月日: 2009-09-09
• [学会発表] Molecular Mechanisms of Enzymatic Activities in Motor and Photoreceptor Proteins (2009)
  • 著者名/発表者名: S.Hayashi
  • 学会等名: CREST International Symposium on Theory and Simulations of Complex Molecular Systems
  • 発表場所: 福井謙一記念研究センター
  • 年月日: 2009-07-21
• [学会発表] Molecular Dynamics in Functional Processes of Photosensitive Proteins (2009)
  • 著者名/発表者名: S.Hayashi
  • 学会等名: Japan-Korea Symposium on Molecular Science 2009 "Chemical Dynamics in Materials and Biological
  • 発表場所: 淡路夢舞台国際会議場
  • 年月日: 2009-07-13
• [学会発表] Molecular Mechanism of ATP hydrolysis reaction in F1-ATPase molecular motor (2008)
  • 著者名/発表者名: A.R.Shaikh, Y.Ito, M.Ikeguchi, H.Ueno, H.Noji, S.Hayashi
  • 学会等名: 日本生物物理学会第46回年会
  • 発表場所: 福岡
  • 年月日: 20081203-20081205
• [学会発表] Structure and function analysis of F1-ATPase bymolecular dynamics (2008)
  • 著者名/発表者名: Y.Ito, M.Ikeguchi
  • 学会等名: 日本生物物理学会第46回年会
  • 発表場所: 福岡
  • 年月日: 20081203-20081205
• [学会発表] Conformational change of F1-ATPase epsilon subunit upon ATP binding studied by molecular dynamics simulations and X-ray scattering (2008)
  • 著者名/発表者名: T.Oroguchi, T.Kato-Yamada, H.Hashimoto, S.Unzai, M.Ikeguchi
  • 学会等名: 日本生物物理学会第46回年会
  • 年月日: 20081203-20081205
• [学会発表] ハイブリッド分子シミュレーションで探るF1-ATPase分子モーターの化学-力学エネルギー変換機構 (2008)
  • 著者名/発表者名: 林重彦
  • 学会等名: 生物物理学会シンポジウム「F1-ATPase 分子モーターの分子機構」
  • 発表場所: 神奈川・横浜
  • 年月日: 2008-12-22
• [学会発表] 分子動力学シミュレーションによるF1-ATPaseの構造変化の研究 (2007)
  • 著者名/発表者名: 池口満徳
  • 学会等名: 日本生物物理学会第45回年会
  • 発表場所: 横浜
  • 年月日: 20071221-20071223
• [学会発表] Detecting domain motions of proteins in molecular dynamics simulations and normal mode analyses (2007)
  • 著者名/発表者名: M.Ikeguchi, S.Fuchigami, A.Kidera
  • 学会等名: 50th Annual Meeting of Biophysical Society
  • 発表場所: Baltimore, Maryland.
  • 年月日: 20070000
• [学会発表] Chemical Reactions in Photoreceptor and Motor Proteins Studied by hybrid QM/MM Simulations (2007)
  • 著者名/発表者名: S.Hayashi
  • 学会等名: Telluride Science Research Center Workshop on "Protein Dynamics"
  • 発表場所: Telluride, Colorado.
  • 年月日: 2007-08-01
• [学会発表] Chemical Reactions in Photoreceptor and Motor Proteins Studied by hybrid QM/MM Simulations (2007)
  • 著者名/発表者名: S.Hayashi
  • 学会等名: I2CAM Exploratory Workshop "Quantum Dynamics and Biomolecular Function"
  • 発表場所: Yeppoon, Australia.
  • 年月日: 2007-04-12
• [学会発表] Chemical Reactions in Photoreceptor and Motor Proteins Studied by hybrid QM/MM Simulations (2006)
  • 著者名/発表者名: S.Hayashi
  • 学会等名: Discussion on "Theory and Simulation of biomolecular nano-machines"
  • 発表場所: 兵庫・舞子
  • 年月日: 20061213-20061216
• [学会発表] 膜超分子の分子シミュレーション (2006)
  • 著者名/発表者名: 池口満徳、林重彦
  • 学会等名: 日本分子生物学会2006フォーラム「分子生物学の未来」シンポジウム「生命科学の革新的ナノバイオロジー」
  • 発表場所: 愛知・名古屋
  • 年月日: 20061206-20061208
• [図書] Springer Verlag (2009)
  • 著者名/発表者名: K.Kuwajima, T.Oroguchi, T.Nakamura, M.Ikeguchi, A.Kidera
  • 総ページ数: 24
  • 出版者: Experimental and simulation studies of the folding/unfolding of goat α-lactoalbumin, in Water and Biomolecules: Physical Chemistry of Life Phenomena
• [図書] 化学同人 (2008)
  • 著者名/発表者名: 池口満徳
  • 総ページ数: 6
  • 出版者: 最新分子マシンナノで働く"高度な機械"を目指を目指して水を輸送する分子マシンアクアポリンの分子シミュレーション