| 研究課題/領域番号 |
16J11404
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
CHENG CHENG 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-22 – 2019-03-31
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| キーワード | チャネルロドプシン / 光化学系II / 自由エネルギー |
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| 研究実績の概要 |
本年度では、以下の二テーマについて研究を行った。
1. チャネルロドプシン(Channelrhodopsin, 以下ChR)の伝導モデル構築と開状態のモデリング
脳内神経伝導における重要な役割を果たすChRの結晶構造は2012年解明されたにも関わらず、チャネルが閉じた状態しか取れず、光照射によるレチナール異性化が制御するイオン通路のメカニズムや、開状態の構造等は未だ不明である。それらを解明するために、我々の研究室が開発したQM/MM reweighting free energy SCF法（以下RWFE法）で理論計算を行った。
2. 光化学系II(Photosystem II, 以下PSII)における構造と反応メカニズム
植物による太陽エネルギーを利用し水分解酸素反応を行う中心はPSIIである。酸化還元中心が存在するため、高解像度X線結晶構造の測定には還元され容易く、正確的な構造を得るのは難しい。S1状態を含め、他のS状態構造や反応中心のプロトン化状態等、不明なところが多く残されている。今年度は昨年度でモデリングした構造を基づき、S1とS2状態の計算をRWFE法で行った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
1. チャネルロドプシン(Channelrhodopsin, 以下ChR)の伝導モデル構築と開状態のモデリング
昨年度でモデリングに成功したP1状態から出発して、異なる計算方法によって、現eP2状態とかなり構造が違うeP2`状態が得られた。eP2`とeP2状態の間の自由エネルギーを計算し、eP2状態が安定であることがわかった。更に、eP2状態で観測された構造変化が、時間分解結晶構造の実験結果を予測できた。eP2状態に基づき、開状態のモデリングが行われた。現在は開状態に対して、九州大学吉田グループによる3D-RISM計算を行い、更に、自由エネルギーでeP2状態と開状態の安定性の評価を行う。
2. 光化学系II(Photosystem II, 以下PSII)における構造と反応メカニズム
結晶構造では観測できないPSII反応中心や、配位子の水分子、カルボン酸のプロトン化状態について、今まで数多くの研究者によって議論された。しかし、殆どの理論計算は巨大なPSIIの一部を切り出し、境界を固定した近似で行うため、結晶構造に大きく依存する上で、タンパク質の熱揺らぎを考慮することも不可能。そこで、本研究では、PSII系全体をモデリングし、主に議論されたMn4に配位する水分子W2のプロトン化状態、S2での反応中心構造、及びMn原子の電子状態に対して、それぞれを構造最適化し、結晶構造やXAFSの結果と比較した。8つモデルの妥当性を評価するため、各ペアの間の自由エネルギーを計算する必要がある。実際の系を計算する前に、自由エネルギー計算の信憑性を確認するため、CytochromeCをモデル分子にし、電子得失反応で自由エネルギー計算テストを行った。その結果、実験値よりただ１０％ほど過大評価することがわかった。
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| 今後の研究の推進方策 |
1.ChR
今後、ChRに関して、更にOpenStateの探索を行い、現モデルより安定性の高いモデルを探し、それらと現モデルとの自由エネルギーを比較し、可能性の高い構造を提唱する。
時間に余裕があれば、チャネルにある残基に変異体を導入し、バリアの比較からメカニズムを更に解明する。
2.PSII
構造最適化した８つの構造に対して、可能なペア間の自由エネルギーを計算し、実験値と比較し、プロトン化状態を決定する。
決定されたモデルからS3の構造を計算する。
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