研究課題
細胞内は、生体高分子と水分子以外にも、アミノ酸や糖など、様々な有機低分子(コソルベント)が高濃度で共存している。本研究は、コソルベントと水分子が、生体分子の立体構造や動的挙動に及ぼす効果を、分子動力学シミュレーションと液体統計力学によって、原子レベルで解明することを目的としている。本年度は深海に生息する生物が、細胞内に多く蓄積する有機低分子:TMAO(trymethylamin N-oxide)に着目し、TMAO水溶液中における蛋白質の挙動を、分子動力学シミュレーション法を用いて調査した。また、得られた原子の位置情報を平均化し、蛋白質周囲のTMAOの3次元分布をAレベルの空間解像度で解析した。これらのデータから、選択的溶媒和〔水以外の共存する溶媒分子が、タンパク質表面などに水分子よりも過剰に結合(または排除)される現象〕が、タンパク質表面のどのような部位で発現するかを調査した。これと並行して、系を高圧に制御した分子動力学シミュレーションを実行し、TMAOが、高圧条件下における蛋白質の構造安定性を、どのように変化させるかを調査した。蛋白質立体構造の圧力依存性を決定する最も重要な物理量は部分モル体積である。本年度は、Kirkwood-Buff(カークウッド-バフ)理論〔溶質周囲の液体分子の分布状態から、熱力学量を計算する液体の統計力学〕と、分子動力学シミュレーション法を組み合わせて用いることで、実験的には長時間平均量として観測される蛋白質部分モル体積の、ピコ秒オーダーの動的挙動や3次元分布を純水中およびTMAO水溶液中で解析した。これらの研究を通じて開発した手法により、コソルベントの添加効果を分子レベルで3次元的に可視化することが可能となった。
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Proteins : Energy, Heat and Signal Flow
ページ: 169-196
