生体分子および溶媒の構造揺らぎと共役した機能発現過程の理論的解明

2010 年度 実績報告書

• 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: 20107008
• 研究機関: 分子科学研究所
• 研究代表者: 平田 文男 分子科学研究所, 理論・計算分子科学研究領域, 教授 (90218785)
• キーワード: 自由エネルギー計算 / 構造揺らぎ / 分子認識 / 3D-RISM理論 / オーダーパラメタ / 熱力学積分法 / 薬剤設計 / 蛋白質

研究概要

生体分子の構造揺らぎを考慮した自由エネルギー計算手法の開発
溶液中の化学プロセスを理解する上で鍵のひとつとなるのが自由エネルギーの計算である。分子認識に関連する結合定数、生体分子の構造安定性の議論など、自由エネルギー計算の応用例は枚挙にいとまがない。既存の3D-RISM理論に基づく自由エネルギー計算は、基本的に分子の内部自由度を凍結するという前提の下で行なわれてきた。これに対し本研究では3D-RISM理論に基づきつつ、溶質分子(生体分子等)の揺らぎを考慮した自由エネルギー計算を目的とした。この目的に沿って、3D-RISM理論と分子動力学(MD)シミュレーションの結合手法[1]を用いた自由エネルギー計算法を提案した。
自由エネルギー計算はオーダーパラメタの選び方によって、様々な手法が考えられるが、ここでは(1)カップリングパラメタ、および(2)分子間距離、をオーダーパラメタとする二つの熱力学式積分法を提案した。
これらの手法は薬剤設計において重要となる「蛋白質の構造揺らぎを考慮した分子認識過程の解析」に威力を発揮することが期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Affinity of Small Ligands to Myoglobin Studied by the 3D-RISM Theory (2011)
  • 著者名/発表者名: Yasuomi Kiyota, Norio Yoshida, Fumio Hirata
  • 雑誌名: Journal of Molecular Liquids 巻: Vol.159 ページ: 93-98
  • 査読あり
• [雑誌論文] The electronic-structure theory of a large-molecular system in solution : Application to the intercalation of proflavine with solvated DNA (2011)
  • 著者名/発表者名: Norio Yoshida, Yasuomi Kiyota, Fumio Hirata
  • 雑誌名: Journal of Molecular Liquids 巻: Vol.159 ページ: 83-92
  • 査読あり
• [雑誌論文] Solvent and Salt Effects on Structural Stability of Human Telomere (2011)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Maruyama, Taku Matsushita, Ryuichi Ueoka, Fumio Hirata
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: Vol.115 ページ: 2408-2416
  • 査読あり
• [雑誌論文] Free energy calculation using molecular dynamics simulation combined with the three dimensional reference interaction site model theory. II. Thermodynamic integration along a spatial reaction coordinate (2011)
  • 著者名/発表者名: Tatsuhiko Miyata, Yasuhiro Ikuta, Fumio Hirata
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: Vol.134 ページ: 044127(17)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Free energy calculation using molecular dynamics simulation combined with the three dimensional reference interaction site model theory. I. Free energy perturbation and thermodynamic integration along a coupling parameter (2010)
  • 著者名/発表者名: Tatsuhiko Miyata, Yasuhiro Ikuta, Fumio Hirata
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: Vol.133 ページ: 044114(15)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Proton transport through the Influenza A M2 channel : 3D-RISM Study (2010)
  • 著者名/発表者名: Saree Phongphanphanee, Thanyada Rungrotmongkol, Norio Yoshida, Supot Hannongbua, Fumio Hirata
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: Vol.132 ページ: 9782-9788
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular Selectivity in Aquaporin Channels Studied by the 3D-RISM Theory (2010)
  • 著者名/発表者名: Saree Phongphanphanee, Norio Yoshida, Fumio Hirata
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: Vol.114 ページ: 7967-7973
  • 査読あり
• [雑誌論文] Revisiting the Salt-Induced Conformational Change of DNA with 3D-RISM Theory (2010)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Maruyama, Norio Yoshida, Fumio Hirata
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: Vol.114 ページ: 6464-6471
  • 査読あり
• [学会発表] Statistical Mechanics of Molecular Liquids Reveals Elementary Processes in Life Phenomena (2011)
  • 著者名/発表者名: Fumio Hirata
  • 学会等名: Third Korea-Japan Seminars on Biomolecular Sciences-Experiments and Simulations
  • 発表場所: Lotte hotel, Jeju, Korea
  • 年月日: 2011-02-27
• [学会発表] Ligand binding and escaping pathway in myoglobin studied by the 3D-RISM theory (2010)
  • 著者名/発表者名: Fumio Hirata
  • 学会等名: Dynamics and Mechanisms of Photochemical Reactions of Biological Proteins, Pacifichem 2010
  • 発表場所: Honolulu, Hawaii, USA
  • 年月日: 2010-12-15
• [学会発表] Molecular Recognition in Biological Functions Revealed by Statistical mechanics of Molecular Liquids (2010)
  • 著者名/発表者名: Fumio Hirata
  • 学会等名: 4th International symposium on "Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions
  • 発表場所: ピアザ淡海、滋賀
  • 年月日: 2010-12-01
• [学会発表] Statistical Mechanics of Molecular Liquids Reveals Elementary Processes in Life Phenomena (2010)
  • 著者名/発表者名: Fumio Hirata
  • 学会等名: The Overseas Sokendai Lecture in Bankok : The Inaugural CU-IMS Joint Symposium
  • 発表場所: Bankok, Thailand
  • 年月日: 2010-10-20
• [学会発表] Statistical Mechanics of Molecular Liquids Reveals Elementary Processes in Life Phenomena (2010)
  • 著者名/発表者名: Fumio Hirata
  • 学会等名: EMLG-JMLG joint meeting 2010
  • 発表場所: Ivan Franko National University, Lviv, Ukraine
  • 年月日: 2010-09-20
• [学会発表] On the origin of energy produced by the hydrolysis reaction of ATP : 3D-RISM-SCF study (2010)
  • 著者名/発表者名: Fumio Hirata
  • 学会等名: ICPOC-20 : 20th International Conference on Physical Organic Chemistry
  • 発表場所: Busan, Republic of Korea
  • 年月日: 2010-08-22
• [学会発表] RISM-SCF理論の開発と発展～RISM-SCF理論誕生秘話～ (2010)
  • 著者名/発表者名: 平田文男
  • 学会等名: 加藤重樹教授記念シンポジウム「化学反応のポテンシャル曲面とダイナミックス」
  • 発表場所: 京都大学 理学研究科セミナーハウス、京都布
  • 年月日: 2010-06-19
• [学会発表] ナノ分野における「グランドチャレンジ」課題への挑戦と計算科学 (2010)
  • 著者名/発表者名: 平田文男
  • 学会等名: 第一回「学際計算科学による新たな知の発見・統合・創出」シンポジウム
  • 発表場所: 筑波大学計算科学研究センター、つくば市
  • 年月日: 2010-05-06
• [図書] Chapter 4 in Bihan and Fukuyama(Ed.) : "Water, the forgotten biological molecule." (2011)
  • 著者名/発表者名: Norio Yoshida, Yasuomi Kiyota, Thanyada Rungrotmongkol, Saree Phongphanphanee, Takashi Imai, Fumio Hirata
  • 総ページ数: 24
  • 出版者: Pan Stanford Publishing
• [図書] "分子認識とイオンチャネルの統計力学理論",Medical Bio 10月別冊 揺らぎと生体機能、寺嶋正秀 監修 (2010)
  • 著者名/発表者名: 平田文男、吉田紀生、Saree Phongphanphanee
  • 総ページ数: 6
  • 出版者: オーム社