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

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22740259
• 研究機関: 神奈川工科大学
• 研究代表者: 神谷 克政 神奈川工科大学, 基礎・教養教育センター, 准教授 (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。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。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として、主にナイロンオリゴマー分解酵素の解析を行った。この酵素は、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するために、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。本酵素の活性部位には、触媒３残基と呼ばれるアミノ酸（Ser112、Lys115、Ty215）に加え、本酵素のみに特有なTyr170が存在する。本年度は、これら「触媒３残基＋第４のアミノ酸」という新規な系の反応機構におけるプロトンの挙動を第一原理分子動力学法を用いて解析した。その結果、Lys115はSer112からのプロトン受容体、Tyr215はアミド結合の切断に必要なプロトンの供与体であることがわかった。一方、Tyr170は、アミド分解時にアミド結合のNH結合の方向を固定する事で、Tyr215からアミドNへのプロトン移動を促進することがわかった。これにより、四面体中間体が効率的に分解され、反応効率が上昇することが予想された。本計算で得られた反応機構は、触媒3残基とTyr170が協調的に働く事で発現するメカニズムであり、従来のペプチダーゼ系で見られる触媒3残基のみで行われる反応機構とは全く異なる機構であることが示唆された。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)

理由

25年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

25年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Nylon-Oligomer Hydrolase Promoting Cleavage Reactions in Unnatural Amide Compounds (2014)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya, Takeshi Baba, Mauro Boero, Toru Matsui, Seiji Negoro, and Yasuteru Shigeta
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 5 ページ: 1210-1216
  • DOI: 10.1021/jz500323y
  • 査読あり
• [雑誌論文] Generalized mechanism of the resistance switching in binary-oxide-based resistive random-access memories (2013)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya, Moon Young Yang, Takahiro Nagata, Seong-Geon Park, Blanka Magyari-Kope, Toyohiro Chikyow, Keisaku Yamada, Masaaki Niwa, Yoshio Nishi, and Kenji Shiraishi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 87 ページ: 155201
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.87.155201
  • 査読あり
• [雑誌論文] Vacancy Cohesion-Isolation Phase Transition Upon Charge Injection and Removal in Binary Oxide-Based RRAM Filamentary-Type Switching (2013)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya, Moon Young Yang, Blanka Magyari-Kope, Masaaki Niwa, Yoshio Nishi, and Kenji Shiraishi
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Electron Devices 巻: 60 ページ: 3400-3406
  • DOI: 10.1109/TED.2013.2279397
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical Design of Desirable Stack Structure for Resistive Random Access Memories (2013)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya, Moon Young Yang, Blanka Magyari-Kope, Masaaki Niwa, Yoshio Nishi, and Kenji Shiraishi
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 58 ページ: 181-188
  • DOI: 10.1149/05807.0181ecst
  • 査読あり
• [雑誌論文] Energetics and Electronic Structures of Alkanes Adsorbed on Carbon Nanotubes (2013)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya and Susumu Okada
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 52 ページ: 04CN07
  • DOI: 10.7567/JJAP.52.04CN07
  • 査読あり
• [雑誌論文] Energetics and Electronic Structures of Alkanes and Polyethylene Adsorbed on Graphene (2013)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya and Susumu Okada
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 52 ページ: 06GD10
  • DOI: 10.7567/JJAP.52.06GD10
  • 査読あり
• [雑誌論文] Substrate-mediated proton relay mechanism for the religation reaction in topoisomerase II (2013)
  • 著者名/発表者名: Kyohei Hanaoka, Mitsuo Shoji, Daiki Kondo, Akimasa Sato, Moon Young Yang, Katsumasa Kamiya, and Kenji Shiraishi
  • 雑誌名: Journal of Biomolecular Structure and Dynamics 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1080/07391102.2013.834848
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interstitial oxygen induced Fermi level pinning in the Al2O3-based high-k MISFET with heavy-doped n-type poly-Si gates (2013)
  • 著者名/発表者名: Moon Young Yang, Katsumasa Kamiya, and Kenji Shiraishi
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 3 ページ: 102113
  • DOI: 10.1063/1.4825071
  • 査読あり
• [雑誌論文] Charge-dependent oxygen vacancy diffusion in Al2O3-based resistive-random-access-memories (2013)
  • 著者名/発表者名: Moon Young Yang, Katsumasa Kamiya, Blanka Magyari-Kope, Masaaki Niwa, Yoshio Nishi, and Kenji Shiraishi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 103 ページ: 093504
  • DOI: 10.1063/1.4819772
  • 査読あり
• [学会発表] Theoretical Design of Desirable Stack Structure for Resistive Random Access Memories (2013)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya, Moon Young Yang, Blanka Magyari-Kope, Masaaki Niwa, Yoshio Nishi, and Kenji Shiraishi
  • 学会等名: 224th ECS Meeting
  • 発表場所: Hilton San Francisco, San Francisco, USA
  • 年月日: 20131027-20131101
  • 招待講演
• [学会発表] ナイロンオリゴマー分解酵素の反応メカニズムに関する研究 (2013)
  • 著者名/発表者名: 馬場 剛史、神谷 克政、Mauro Boero、重田 育照
  • 学会等名: 化学反応経路探索のニューフロンティア2013
  • 発表場所: 京都大学福井謙一記念センター
  • 年月日: 20130927-20130928
• [学会発表] Ab initio modeling of binary-oxide-based nanomaterials for the next generation nonvolatile memory (2013)
  • 著者名/発表者名: Moon Young Yang, Katsumasa Kamiya, and Kenji Shiraishi
  • 学会等名: BIT 3rd annual world congress of nano science and technology
  • 発表場所: Xian Qujiang International Conference Center, Xian, China
  • 年月日: 20130926-20130928
  • 招待講演
• [学会発表] Ab initio Modeling of Resistive Random Access Memories (2013)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya
  • 学会等名: Nonvolatile memory workshop by Consortium of semiconductor advanced research
  • 発表場所: Ocean suites, Jeju, Korea
  • 年月日: 20130829-20130829
  • 招待講演
• [学会発表] Theoretical proposal of the crystal growth of oxide layered stack structures with memory functions (2013)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Kamiya and Moon Young Yang
  • 学会等名: Collaborative Conference on Crystal Growth
  • 発表場所: Westin Resort and Spa, Cancun, Mexico
  • 年月日: 20130610-20130613
  • 招待講演
• [備考] アメリカ化学会Webスライド集の掲載ページ
  • URL: http://pubs.acs.org/iapps/liveslides/pages/index.htm?mscNo=jz500323y
• [備考] 日経バイオテクONLINEに掲載された記事ページ
  • URL: https://bio.nikkeibp.co.jp/article/news/20140419/175556/?ST=academic
• [備考] 大学プレスセンターに掲載された記事ページ
  • URL: http://www.u-presscenter.jp/modules/bulletin/index.php?page=article&storyid=6367
• [備考] 所属研究機関ホームページに掲載
  • URL: http://www.kait.jp/news/722.html
• [備考] 所属研究機関所属部局ホームページに掲載
  • URL: https://www.gen.kanagawa-it.ac.jp/20140421