蛋白質機能発現のダイナミカルモデリング

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15014214
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 笹井 理生 名古屋大学, 大学院・情報科学研究科, 教授 (30178628)
• キーワード: 機能発現 / バイオナノ素子 / エネルギーランドスケープ理論 / 機能ファネル / 蛋白質立体構造 / シグナル伝達 / 分子モーター / アロステリック変形

研究概要

次の(1)〜(3)の成果が得られた。
(1)分子モーターはいかにしてATPの化学エネルギーを力学的エネルギーに変換するか?これは長年の分子生物学の未解決問題であり、多くの実験的、理論的努力が続けられてきた。本研究では、フォールディング研究で用いられた方法と概念を蛋白質の運動の記述に用いることにより、力発生を合理的な物理的前提と分子構造、1分子計測、そのほかこれまでの多くの実験と矛盾しない形で説明する統計力学的モデルを提案した。さらに、このモデルの示す仮説を構造生物学的に説明するため粗視化した分子動力学計算法を開発した。
(2)光シグナル伝達系の機能発現ダイナミクスの新しい描像Photoactive Yellow Proteinは発色団を持つ蛋白質であるが、この蛋白質の光シグナル伝達における重要な状態が部分的にunfoldした状態であることが実験的に示されている。Munotzらがフォールディング研究のために開発した統計力学的モデルをさらに発展させ、エネルギーランドスケープの計算に適用し、光によって誘起されたunfolding-folding転移を合理的に説明することに成功した。大規模構造変形を伴う、光緩和の新しいシナリオを提案ることができた。
(3)HPPK、RASなど機能発現に際して構造変化を生じる蛋白質を統計力学的モデルで分析。構造変化の際に、部分的にアンフォールドした状態を通過する可能性を理論的に示した。

研究成果

• [文献書誌] M.Sasai: "Energy landscape picture of supercooled liquids : Application of a generalized random energy model"J.Chem.Phys. 118. 10651-10662 (2003)
• [文献書誌] M.Sasai, P.G.Wolynes: "Stochastic Gene Expression as a Many Body Problem"Proc.Natl.Acad.Sci.USA. 100. 2374-2379 (2003)
• [文献書誌] H.K.Nakamura, M.Sasai, M.Takano: "Squeezed exponential kinetics to describe a nonglassy downhill folding as observed in a lattice protein model"Proteins : Structure, Function, and Genetics. (印刷中).
• [文献書誌] H.K.Nakamura, M.Sasai, M.Takano: "Temperature dependent mechanisms for folding processes in a simple model of protein"Protein Science. 12. 192-192 (2003)
• [文献書誌] T.Ushikubo, W.Inoue, M.Sasai: "Dynamics of Repressilator : From Noise to Coherent Oscillation"Proceedings of the 14th International Conference on Genome Informatics. (印刷中).
• [文献書誌] S.I.Nishimura, M.Sasai: "Chemotaxis of an Eucaryotic Cell in Complex Gradients of Chemoattractants"Proceedings of the 9th International Symposium on Artificial Life and Robotics. (印刷中).
• [文献書誌] 伏見譲ほか9名: "生命の起源「物質の進化」から「生命の進化」へ"丸善. 148 (2004)