生体反応の量子ハイブリッド分子動力学シミュレーション

2011 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 21340108
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 数理物理・物性基礎
• 研究機関: 兵庫県立大学 (2011); 筑波大学 (2009-2010)
• 研究代表者: 舘野 賢 兵庫県立大学, 大学院・生命理学研究科, 教授 (40291926)
• 研究分担者: 木野 日織 独立行政法人物質・材料研究機構, 計算科学センター, 主任研究員 (70282605)
• 連携研究者: 濡木 理 東京大学, 大学院・理学系・研究科, 教授 (10272460)
• 研究期間 (年度): 2009 – 2011
• キーワード: ハイブリッドQM/MM / 分子動力学 / RNA / タンパク質 / 第一原理計算 / 触媒反応 / 酵素反応 / 機能解析

研究概要

本研究では,生物機能に不可欠な役割を果たしている重要な生体高分子に対して,ハイブリッドQM/MM分子動力学計算などを適用し,生体反応の機構を理論的に解析することによって,以下の成果を得た。すなわち,リボザイムにタンパク質が直接関与することによって酵素反応が生じる「ハイブリッド触媒」の発見,リパーゼの活性部位における新規のタンパク質・機能構造単位(Na電子の結合によるの発見,タンパク質内・物質輸送のための逆止弁(世界最小サイズのバルブ)の発見,シトクローム酸化酵素(Cuサイト)における電子移動機構の解析と従来の実験結果にみられた矛盾の解決など,重要な成果を得た。

研究成果

• [雑誌論文] Biological applications of hybrid quantum mechanics/molecular mechanics calculation (2012)
  • 著者名/発表者名: Kang, J., Hagiwara, Y., and Tateno, M.
  • 雑誌名: J. Biomed. Biotech. ページ: 236157
  • DOI: DOI:10.1155/2012/236157
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unidirectional mechanistic valved mechanisms for ammonia transport in GatCAB (2012)
  • 著者名/発表者名: Kang, J., Kuroyanagi, S., Akisada, T., Hagiwara, Y., and Tateno, M.
  • 雑誌名: J. Chem. Theory Comput. 巻: 8 ページ: 649-660
  • DOI: DOI:10.1021/ct200387u
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural Instability of the Active Site of T1 Lipase Induced by Replacement of Na+with Water Complexed with the Phenylalanine Aromatic Ring (2011)
  • 著者名/発表者名: Hagiwara, Y., Kang, J., and Tateno, M.
  • 雑誌名: J. Chem. Theory Comput. 巻: 7 ページ: 2593-99
  • DOI: DOI:10.1021/ct100752y
  • 査読あり
• [雑誌論文] A the oretical investigation of the functional role of the axial methionine ligand of the CuA site in cytochrome c oxidase (2011)
  • 著者名/発表者名: Kang, J., Kino, H., and Tateno, M.
  • 雑誌名: Biochim. Biophys. Acta Bioenerg. 巻: 1807 ページ: 1314-27
  • DOI: DOI:10.1016/j.bbabio.2011.06.014
  • 査読あり
• [雑誌論文] コンピュータ・シミュレーションによる生体触媒反応機構の研究 (2011)
  • 著者名/発表者名: 姜志怜, 萩原陽介, 舘野賢
  • 雑誌名: 応用物理 巻: 第80券,第7号 ページ: 610-14
  • 査読あり
• [雑誌論文] Modulation of electronic structures of bases through DNA recognition of protein (2010)
  • 著者名/発表者名: Hagiwara, Y., Kino, H., and Tateno, M.
  • 雑誌名: J. Phys. Cond. Mat. 巻: 22 ページ: 152101
  • 査読あり
• [雑誌論文] Editing mechanism of aminoacyl-tRNA synthetases operates by a hybrid ribozyme/protein catalyst (2010)
  • 著者名/発表者名: Hagiwara, Y., Field, M. J., Nureki, O., and Tateno, M.
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 132 ページ: 2751-58
  • DOI: DOI:10.1021/ja9095208
  • 査読あり
• [雑誌論文] Recent advances in jointed quantum mechanics and molecular mechanics calculations of biological macromolecules : schemes and applications coupled to ab initio calculations (2010)
  • 著者名/発表者名: Hagiwara, Y. and Tateno, M.
  • 雑誌名: J. Phys. Cond. Matt. 巻: 22 ページ: 152101
  • DOI: DOI:10.1088/0953-8984/22/41/413101
  • 査読あり
• [雑誌論文] Functional roles of a structural element involving Na^+-πA interactions in the catalytic site of T1 lipase revealed by molecular dynamics simulations (2009)
  • 著者名/発表者名: Hagiwara, Y., Matsumura, M., and Tateno, M.
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 13 ページ: 16697-705
  • DOI: DOI:10.1021/ja903451b
  • 査読あり
• [雑誌論文] Evaluation of Electronic and Geometrical Properties of the Blue Copper Site in Fully Solvated Azurin by QM/MM Hybrid Calculations Using a New Interface Program Connecting QM and MM Engine (2009)
  • 著者名/発表者名: Ohta, T., Hagiwara, Y., Kang, J., and Tateno, M.
  • 雑誌名: J. Comp. Theor. Nanosci. 巻: 6 ページ: 2648-55
  • DOI: DOI:10.1166/jctn.2009.1329
  • 査読あり
• [雑誌論文] Identification of the nucleophilic factors and the productive complex for the editing reaction by leucyl-tRNA synthetase (2009)
  • 著者名/発表者名: Hagiwara, Y., Nureki, O., and Tateno, M.
  • 雑誌名: FEBS Letters 巻: 583 ページ: 1901-08
  • DOI: DOI:10.1016/j.febslet.2009.05.026
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural modelling of the complex of leucyl-tRNA synthetase and mis-aminoacylated tRNALeu (2009)
  • 著者名/発表者名: Hagiwara, Y., Nureki, O., and Tateno, M.
  • 雑誌名: FEBS Letters 巻: 583 ページ: 825-830
  • DOI: DOI:10.1016/j.febslet.2009.01.049
  • 査読あり
• [雑誌論文] A novel computational scheme for accurate and efficient evaluation of M. M and M. N stacking (2009)
  • 著者名/発表者名: Hagiwara, Y. and Tateno, M.
  • 雑誌名: J. Phys. Cond. Matt. 巻: 21 ページ: 064243
  • DOI: DOI:10.1088/0953-8984/21/24/245103
• [雑誌論文] Evaluation of stabilization energies in M. M and cation. M interactions involved in biological macromolecules by ab initio calculations (2009)
  • 著者名/発表者名: Tateno, M. and Hagiwara, Y.
  • 雑誌名: J. Phys. Cond. Matt. 巻: 21 ページ: 064243
  • DOI: DOI:10.1088/0953-8984/21/6/064243
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic and geometric structures of the blue copper site of azurin investigated by QM/MM hybrid calculations (2009)
  • 著者名/発表者名: Kang, J., Ohta, T., Hagiwara, Y., (3-person), and Tateno, M.
  • 雑誌名: J. Phys. Cond. Matt. 巻: 21 ページ: 064235
  • DOI: DOI:10.1088/0953-8984/21/6/064235
  • 査読あり
• [雑誌論文] QM/MM hybrid calculation of biological macromolecules using new interface program connecting QM and MM engines (2009)
  • 著者名/発表者名: Hagiwara, Y. and Tateno, M.
  • 雑誌名: J. Phys. Cond. Matt. 巻: 21 ページ: 064234
  • DOI: DOI:10.1088/0953-8984/21/6/064234
  • 査読あり
• [雑誌論文] A First-Principle Exploration of Heme a and Heme a3 of the Bovine Cytochrome c Oxidase in Reduced and Oxidized Charge States (2009)
  • 著者名/発表者名: Boero, M., Kang, J., Tokumoto, S., and Tateno, M.
  • 雑誌名: J. Comp. Theor. Nanosc. 巻: 6 ページ: 2640-47
  • DOI: DOI:10.1166/jctn.2009.1328
  • 査読あり
• [雑誌論文] A novel ab initio identification system of transcriptional regulation motifs in genome DNA sequences based on direct comparison scheme of signal/noise distributions
  • 著者名/発表者名: Nakaki, R., Kang, J., Tateno, M.
  • 雑誌名: Nucleic Acids Res 巻: (in press)
  • 査読あり
• [学会発表] Dynamical rearrangements of electronic structure in editing reaction of LeuRS. valyl-tRNALeu complex (2011)
  • 著者名/発表者名: 舘野賢, Jiyoung Kang, 萩原陽介, Martin J. Field
  • 学会等名: 第34回日本分子生物学会年会
  • 発表場所: パシフィコ横浜
  • 年月日: 20111213-16
• [学会発表] Theoretical and computational quantum structural biology for understanding functional mechanisms of biological macromolecular systems (2011)
  • 著者名/発表者名: Tateno, M., Kang, J., and Nakaki, R.
  • 学会等名: 第49回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 兵庫県立大学・姫路書写キャンパス
  • 年月日: 20110916-18
• [学会発表] Theoretical and computational quantum structural biology for understanding functional mechanisms of biological macromolecular systems (2011)
  • 著者名/発表者名: Tateno, M.
  • 学会等名: Annual Meeting of Biophysical Society of Japan
  • 発表場所: Himeji
  • 年月日: 20110900
• [学会発表] 生きているタンパク質:スーパーコンピュータで生命を知る (2011)
  • 著者名/発表者名: 舘野賢
  • 学会等名: 日本生物物理学会・市民公開講座
  • 発表場所: 姫路
  • 年月日: 20110900
• [学会発表] 生体高分子による触媒反応の動力学的機構 (2011)
  • 著者名/発表者名: 舘野賢
  • 学会等名: 第38回生体分子科学討論会
  • 発表場所: つくば
  • 年月日: 20110600
• [学会発表] Dynamical catalytic mechanisms of novel hybrid catalyst (2011)
  • 著者名/発表者名: Tateno, M.
  • 学会等名: BIT's Inaugurate Symposium on Enzymes & Biocatalysis
  • 発表場所: Dalian, China
  • 年月日: 20110400
• [学会発表] Theoretical studies of functional mechanisms of the bovine cytochrome c oxidase (2010)
  • 著者名/発表者名: Tateno, M.
  • 学会等名: Allosteric cooperativity in soluble, membrane bound hemoproteins and related membrane systems
  • 発表場所: Bari, Italy
  • 年月日: 20100000
• [学会発表] Computational study of catalytic mechanisms of hybrid ribozyme/protein catalyst (2010)
  • 著者名/発表者名: Tateno, M.
  • 学会等名: BIT's Inaugurate Symposium on Enzymes & Biocatalysis
  • 発表場所: Shanghai, China
  • 年月日: 20100000
• [学会発表] Dynamical reaction mechanisms of hybrid ribozyme/protein catalyst revealed by using ab inito computer simulations (2010)
  • 著者名/発表者名: Tateno, M.
  • 学会等名: Annual Meeting of Biophysical Society of Japan
  • 発表場所: Sendai, Japan
  • 年月日: 20100000
• [学会発表] Exploration of mechanisms of proton transfer in cytochrome c oxidase using first principle molecular dynamics simulations (2009)
  • 著者名/発表者名: Tateno, M.
  • 学会等名: International Workshop on Metalloprotein Functions
  • 発表場所: Hyogo, Japan
  • 年月日: 20090000
• [学会発表] Computational investigations of mechanisms of enzymatic reactions of RNA-binding proteins (2009)
  • 著者名/発表者名: Tateno, M.
  • 学会等名: Annual Meeting of Biophysical Society of Japan
  • 発表場所: Tokushima, Japan
  • 年月日: 20090000
• [図書] Recent Applications of Hybrid Ab Initio Quantum Mechanics/Molecular Mechanics Simulations to Biological Macromolecules, In Some Applications of Quantum Mechanics (2012)
  • 著者名/発表者名: Jiyoung Kang, Yohsuke Hagiwara, and Masaru Tateno
  • 総ページ数: 359-384
• [図書] 密度汎関数理論の発展とマテリアルデザインへの応用 (2011)
  • 著者名/発表者名: 萩原陽介, 姜志怜, 舘野賢
  • 総ページ数: 327-344
  • 出版者: シュプリンガージャパン
• [図書] Quantum-theoretical approaches to proteins and nucleic acids : In The Oxford Handbook of Nanoscience and Technology (2010)
  • 著者名/発表者名: Boero, M. and Tateno, M.
  • 総ページ数: 549-98
  • 出版者: Oxford University Press
• [図書] ハイブリッド型の新しい酵素反応 (2010)
  • 著者名/発表者名: 舘野賢
  • 総ページ数: 75
  • 出版者: 化学(化学同人)
• [備考]
  • URL: http://www.sci.u-hyogo.ac.jp/edu/kenkyuu/base42.html