生体酵素における反応機構と反応制御機構解明のための理論的研究

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24750007
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 庄司 光男 筑波大学, 数理物質系, 助教 (00593550)
• キーワード: QM/MM / 酵素 / 反応機構 / トレオニン合成酵素 / 亜硝酸還元酵素 / 反応制御 / スーパーコンピュータ

研究概要

酵素は生命現象に不可欠な化学反応を担っており、効率的に物質変換やエネルギー変換を行っている。単純な酵素反応は理論解析が進んでいるが、複雑な反応過程を持つ酵素反応機構は未だ解明がなされていない。非常に興味深い化学反応を触媒するトレオニン合成酵素(ThrS)、亜硝酸還元酵素(NiR)、一酸化窒素還元酵素(NOR)、DNAトポイソメラーゼ(Topo)に注目し、量子古典混合計算(QM/MM)法により反応機構解明を行った。スーパーコンピュータを用いた大規模並列計算により、プロトン化状態、水素結合ネットワーク、水の有無、反応経路についての網羅的検証を可能にした事で、複雑な反応機構を初めて明らかにした。
トレオニン合成酵素については生成物支援触媒の仕組みを明らかにしたことで、酵素反応の学術的理解が進むのみならず、酵素や精密有機合成における効率的反応進行や主反応・副反応の制御に応用していく上で極めて重要な示唆を与えた。それにより、新薬開発への発展も期待される。
また、スーパーコンピュータを利用することでリアリステックな計算モデルを用いることができるようになり、実験結果と多くの対応がつけられるようになった。今後はより多くの実験結果と比較検討していくことで、理論計算の正確さと理論的アプローチの有用性の向上に取り組む。
近年、計算機性能は目覚ましく向上している。計算科学的アプローチは、今後、より短時間でより膨大な探索を行うことが可能になる。生命現象が分子レベルで詳しく解明されていくのみならず、化学、材料、医療分野での革新的進展に貢献できると期待される。

研究成果

• [雑誌論文] A QM/MM Study of the l-Threonine Formation Reaction of Threonine Synthase: Implications into the Mechanism of the Reaction Specificity (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Shoji, K. Hanaoka, Y. Ujiie, W. Tanaka, D. Kondo, H. Umeda, Y. Kamoshida, M. Kayanuma, K. Kamiya, K. Shiraishi, Y. Machida, T. Murakawa, H. Hayashi
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 136 ページ: 4525-4533
  • DOI: DOI: 10.1021/ja408780c
  • 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: K. Hanaoka, M. Shoji, D. Kondo, A. Sato, M. Y. Yang, K. Kamiya, K. Shiraishi
  • 雑誌名: Journal of Biomolecular Structure & Dynamics
  • DOI: 10.1080/07391102.2013.834848
• [雑誌論文] A QM/MM study of nitric oxide reductase-catalyzed N2O formation (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Shoji, K. Hanaoka, D. Kondo, A. Sato, H. Umeda, K. Kamiya, K. Shiraishi
  • 雑誌名: Molecular Physics 巻: 112, 3-4 ページ: 393-397
• [雑誌論文] フラグメント分子軌道法におけるFock行列計算のGPGPU化 (2013)
  • 著者名/発表者名: 梅田 宏明, 塙 敏博, 庄司 光男, 朴 泰祐,稲富 雄一
  • 雑誌名: 情報処理学会論文誌コンピューティングシステム(ACS) 巻: 6 ページ: 26-37
  • 査読あり
• [学会発表] 大規模QM/MM法による光合成酸素発生中心の電子状態 (2014)
  • 著者名/発表者名: 庄司光男,磯辺寛,山中秀介,沈建仁,山口兆
  • 学会等名: 日本化学会春年会 2014
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] トレオニン合成酵素の反応機構についての理論的研究: 反応特異性決定過程の解明 (2014)
  • 著者名/発表者名: 庄司光男,氏家謙,田中弥,栢沼愛,梅田宏明,町田康博,村川武志,林秀行
  • 学会等名: 日本化学会春年会 2014
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] QM/MM study on the photosystem II oxygen evolving complex at the S1 state (2013)
  • 著者名/発表者名: Mitsuo Shoji
  • 学会等名: 第51回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 京都国際会議場
  • 年月日: 20131028-20131030
  • 招待講演
• [学会発表] Theoretical elucidation on the reaction control mechanism in Threonine Synthase (2013)
  • 著者名/発表者名: Mitsuo Shoji, Kyohei Hanaoka, Yuzuru Ujiie, Wataru Tanaka, Megumi Kayanuma , Hiroaki Umeda, Yasuhiro Machida, Takeshi Murakawa, Hideyuki Hayashi
  • 学会等名: 第51回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 京都国際会議場
  • 年月日: 20131028-20131030
• [学会発表] QM/MM 法による光合成酸素発生中心 S 1状態の電子状態解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 庄司光男
  • 学会等名: 第2回公開シンポジウム人工光合成特別セッション
  • 発表場所: 立命館大学
  • 年月日: 20131028-20131028
  • 招待講演
• [学会発表] トレオニン合成酵素における反応特異性についての理論的解明 (2013)
  • 著者名/発表者名: 庄司 光男, 氏家 謙, 田中 弥, 花岡 恭平, 梅田 梅田, 栢沼 愛, 神谷 克政, 白石 賢二, 町田 康博, 村川 武志, 林 秀行
  • 学会等名: 第86回日本生化学会大会
  • 発表場所: パシフィコ横浜
  • 年月日: 20130911-20130912
• [学会発表] Theoretical investigation on the absorption spectrum of photosystem as a biomarker of extrasolar plants (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Taguchi, Y. Komatsu, A. Sato, ○M. Shoji, M. Kayanuma, K. Kamiya, K. Shiraishi, K. Yabana, and M. Umemura
  • 学会等名: ISTCP-8
  • 発表場所: Budapest, Hungary
  • 年月日: 20130825-20130825
• [学会発表] QM/MM study on the photosystem II oxygen evolving complex at the S1 state (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Shoji, H. Isobe, S. Yamanaka, N Kamiya, J.-R. Shen, and K. Yamaguchi
  • 学会等名: The 16th International Congress on Photosynthesis Research
  • 発表場所: St. Louis, USA
  • 年月日: 20130811-20130811
• [学会発表] QM/MM法による光合成酸素発生中心の電子状態と構造
  • 著者名/発表者名: 庄司光男
  • 学会等名: 異分野融合による新材料開発のための計算科学
  • 発表場所: 独立行政法人理化学研究所 計算科学研究機構(RIKEN AICS)
  • 招待講演
• [学会発表] Theoretical investigation on the electronic structures of photosystem II oxygen evolving complex at the S2 state
  • 著者名/発表者名: Mitsuo Shoji
  • 学会等名: 1st Awaji International Workshop on “Electron Spin Science & Technology: Biological and Materials Science Oriented Applications”
  • 発表場所: awaji Yumebutai, Hyogo, Japan
  • 招待講演
• [学会発表] トレオニン合成酵素における反応特異性決定過程の理論解明
  • 著者名/発表者名: 庄司光男
  • 学会等名: 蛋白質科学会年会
  • 発表場所: とりぎん文化会館（鳥取市）
  • 招待講演
• [学会発表] A QM/MM study on the reverse reaction of Threonine Synthase
  • 著者名/発表者名: Mitsuo Shoji
  • 学会等名: BIT’s 4th Symposium on Enzymes and Biocatalysis 2013
  • 発表場所: Nanjing, Chaina
  • 招待講演
• [備考] 研究内容紹介
  • URL: http://www2.ccs.tsukuba.ac.jp/people/mshoji/index.html
• [備考] プレスリリース1
  • URL: http://www.ccs.tsukuba.ac.jp/pr/media/threonine_140314
• [備考] プレスリリース2
  • URL: http://www.ccs.tsukuba.ac.jp/wordpress/uploads/2014/03/press_140314.pdf