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2012 年度 実績報告書

蛋白質環境下におけるアミノ酸のプロトン親和性変化の量子論的解析

研究課題

研究課題/領域番号 22740259
研究機関筑波大学

研究代表者

神谷 克政  筑波大学, 数理物質系, 助教 (60436243)

研究期間 (年度) 2010-04-01 – 2014-03-31
キーワードナノ・バイオ / 蛋白質 / 計算科学 / アミノ酸 / プロトン親和性 / 第一原理計算 / 構造・機能・電子状態 / 密度汎関数理論
研究概要

ナノメートルのスケールの生命現象では、プロトンの微視的な振る舞いが重要な役割を担う。蛋白質中のプロトンの挙動は、アミノ酸のプロトン親和性に支配され、それは周囲の蛋白質環境との相互作用で決まる。本研究では、アミノ酸のプロトン親和性に対する環境の効果を量子論的手法により原子スケールで解明する。水溶液環境から蛋白質環境への連続的なアプローチにより、蛋白質環境の特異性を明らかにし、環境の変化によるアミノ酸のプロトン親和性の制御機構を解明する。それにより、蛋白質の立体構造情報の量子論的解析法の確立と、その構造・機能相関を原子スケールで解明するためのフレームワークの提唱を目指す。
本年度は、機能と構造との相関が示唆されたタンパク質の重要な例であるナイロンオリゴマー分解酵素の反応機構に対する計算科学的解析を行った。本酵素は、6-ナイロン工業副産物(ナイロンオリゴマー)を分解する機能を有し、その反応機構を解明することは酵素を用いた環境浄化の観点からも重要な問題である。本年度は、当該酵素の反応機構の解明、特にプロトンの挙動に注目した解析を第一原理分子動力学法を用いて行った。その結果、本酵素の活性部位にある3つのアミノ酸残基(Ser112、Lys115、Ty215)による基質のアミド結合の分解反応をシミュレートする事に成功した。また、本酵素に特有のアミノ酸残基として知られているTyr170が、触媒3残基に対して協調的に働く事が示唆され、本酵素の生理的な構造と相関したプロトン移動機構も示唆された。
さらに本年度は、アミノ酸のプロトン親和性を量子論的計算から定量的に求めるための手法開発の研究も行った。これにより、水溶液中のアミノ酸のプロトン親和性が定量的に求めることが可能となった。加えて、種々なナノ・バイオ物質に対しても第一原理計算を行い、電子状態と構造の相関関係についての微視的な知見を得た。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本年度の研究はおおむね順調に進展したため、研究成果として、雑誌論文への研究発表が6件、学会での招待講演が2件、学会発表が4件であった。

今後の研究の推進方策

次年度は、非天然合成化合物の生分解酵素であり環境浄化の点で重要なナイロン分解酵素に対し、分解反応を担うアミノ酸の周りの蛋白質環境に対する研究を継続する。さらに、水溶液中のアミノ酸のプロトン親和性についての研究結果と比較することで、蛋白質環境の特異性を明らかにし、環境の変化によるアミノ酸のプロトン親和性の制御機構を解明する。それにより、蛋白質の立体構造情報の量子論的解析法の確立と、その構造・機能相関を原子スケールで解明するためのフレームワークの提唱を目指す。

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2012 その他

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 6件) 学会発表 (6件) (うち招待講演 2件)

  • [雑誌論文] An accurate density functional theory based estimation of pKa values of polar residues combined with experimental data: from amino acids to minimal proteins2012

    • 著者名/発表者名
      Toru Matsui, Takeshi Baba, Katsumasa Kamiya and Yasuteru Shigeta
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 14 ページ: 4181-4187

    • DOI

      10.1039/c2cp23069k

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Theoretical Insight into Stereoselective Reaction Mechanisms of 2,4- Pentanediol-Tethered Ketene-Olefin [2 + 2] Cycloaddition2012

    • 著者名/発表者名
      Katsumasa Kamiya, Toru Matsui, Takashi Sugimura, and Yasuteru Shigeta
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry A

      巻: 116 ページ: 1168-1175

    • DOI

      10.1021/jp211542m

    • 査読あり
  • [雑誌論文] ON-OFF switching mechanism of resistive–random–access–memories based on the formation and disruption of oxygen vacancy conducting channels2012

    • 著者名/発表者名
      Katsumasa Kamiya, Moon Young Yang, Seong-Geon Park, Blanka Magyari-Kope, Yoshio Nishi, Masaaki Niwa, and Kenji Shiraishi
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 100 ページ: 073502

    • DOI

      10.1063/1.3685222

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Geometries and Electronic Structures of Diamond Nanoparticles2012

    • 著者名/発表者名
      Katsumasa Kamiya and Susumu Okada
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 51 ページ: 015001

    • DOI

      10.1143/JJAP.51.015001

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Efficient Structure for Deep-Ultraviolet Light-Emitting Diodes with High Emission Efficiency: A First-Principles Study of AlN/GaN Superlattice2012

    • 著者名/発表者名
      Katsumasa Kamiya, Yasuhiro Ebihara, Makoto Kasu, and Kenji Shiraishi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 51 ページ: 02BJ11

    • DOI

      10.1143/JJAP.51.02BJ11

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Intrinsic origin of negative fixed charge in wet oxidation for silicon carbide2012

    • 著者名/発表者名
      Yasuhiro Ebihara, Kenta Chokawa, Shigenori Kato, Katsumasa Kamiya, and Kenji Shiraishi
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 100 ページ: 212110

    • DOI

      10.1063/1.4722782

    • 査読あり
  • [学会発表] First-Principles Studies on Proton Transfer Mechanisms in Cytochrome c Oxidase2012

    • 著者名/発表者名
      Katsumasa Kamiya
    • 学会等名
      2012 International Conference on Small Science
    • 発表場所
      Wald Disney World Swan and Dolphin, Orlando FL, USA
    • 年月日
      20121216-20121219
    • 招待講演
  • [学会発表] NylBの反応機構に対するアミノ酸変異導入の効果2012

    • 著者名/発表者名
      馬場剛史、神谷克政、松井亨、西口拓紀、Mauro Boero、根来誠司、中野雅由、重田育照
    • 学会等名
      創立90周年記念第64回日本生物工学会大会
    • 発表場所
      神戸国際会議場、兵庫県
    • 年月日
      20121023-20121026
  • [学会発表] ナイロンオリゴマー分解酵素の反応機構に対するアミノ酸変異の効果2012

    • 著者名/発表者名
      馬場剛史、神谷克政、松井亨、奥野克樹、Mauro Boero、根来誠司、中野雅由、重田育照
    • 学会等名
      第6回分子科学討論会2012
    • 発表場所
      東京大学本郷キャンパス、東京都
    • 年月日
      20120918-20120921
  • [学会発表] Mutational effects on the acylation of Nylon oligomer Hydrolase2012

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Baba, Katsumasa Kamiya, Toru Matsui, Mauro Boero, Seiji Negoro, Yasuteru Shigeta
    • 学会等名
      The XIVth International Congress of Quantum Chemistry
    • 発表場所
      Boulder, Colorado, USA
    • 年月日
      20120625-20120630
  • [学会発表] Design of Nylon Oligomer Hydrolase on the Basis of Simulations2012

    • 著者名/発表者名
      Yasuteru Shigeta, Katsumasa Kamiya, Takeshi Baba, Toru Matsui, Mauro Boero, Yoshiki Higuchi, and Seiji Negoro
    • 学会等名
      Symposium on Enzymes & Biocatalysis-2012
    • 発表場所
      Xi'an Qujiang International Conference Center, Xi'an, China
    • 年月日
      20120425-20120428
    • 招待講演
  • [学会発表] アシル化反応に対するアミノ酸変異の効果

    • 著者名/発表者名
      馬場剛史、神谷克政、松井亨、 根来誠司、Mauro Boero、中野雅由、重田育照
    • 学会等名
      第10回京都大学福井謙一記念センターシンポジウム
    • 発表場所
      京都大学福井謙一記念センター、京都府

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公開日: 2014-07-24  

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