蛋白質水和理論の新機軸：自己組織化および秩序化過程の統一的解明

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25291035
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 木下 正弘 京都大学, エネルギー理工学研究所, 教授 (90195339)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 自己組織化 / 構造形成 / フォールディング / 分子認識 / ATP駆動蛋白質 / 水和 / エントロピー / 積分方程式論

研究実績の概要

（１）アミノ酸置換や、種々の糖・種々の1価および多価アルコール・尿素などの共溶媒を添加した場合に生じる熱変性温度Tmの上昇あるいは低下の度合いを定量的に予測できる統計熱力学理論を構築し、実験データとの比較によってその有効性を検証した。多重アミノ酸置換に対しては、有名な予測法FOLD-Xよりも優れた予測性能を有することを示した。同じモル濃度で比較すると、1価アルコールではTmは低下しその度合いはアルコール分子中の疎水基が大きいほど大きいこと、多価アルコールではTmは上昇しその度合いはアルコール分子中のOH基の数が多いほど大きいこと、糖ではTmは上昇しその度合いはグルコースよりもスクロースの方が大きいことを見事に説明できた。
（２）アクチンとミオシンの強結合過程を独自の統計熱力学理論を用いて解析し、以下の結果を得た：アクチン－ミオシン間の静電引力およびファン・デル・ワールス引力相互作用の獲得によって大きなエネルギー低下が生じるが、アクチン－水およびミオシン－水間の静電引力およびファン・デル・ワールス引力相互作用の喪失による遥かに大きなエネルギー上昇が生じる；エネルギー上昇の約半分は、結合に伴って解放される水の再構造化によるエネルギー低下で相殺される；それでも、トータルのエネルギー変化は正であり、結合を妨げる；結合は、水の並進配置エントロピーの大幅な利得によって推進される；アクチンとミオシンの構造エントロピー損失を加味しても、トータルのエントロピー変化は正である。結合がエントロピー駆動であることは実験結果と一致する。
（３）水の並進配置エントロピー効果の生体分子－水間多体相関成分を主軸とした統計熱力学理論により、数多くの自己組織化過程を統一的に説明することができた。ATP駆動蛋白質の機能発現機構に対し、ATP加水分解サイクルの役割に関する斬新な考え方を用い、水を主役とした独特の理論的枠組みを構築した。

現在までの達成度 (段落)

27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

27年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額が生じた理由

27年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額の使用計画

27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] A Highly Efficient Method for Calculating the Hydration Free Energy of a Protein (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Oshima and M. Kinoshita
  • 雑誌名: Journal of Computational Chemistry 巻: 37 ページ: 712-723
  • DOI: 10.1002/jcc.24253
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Dynamics of the Entropic Insertion of a Large Sphere into a Cylindrical Vessel in Solvent (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Hara, K. Amano, M. Kinoshita, and A. Yoshimori
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: 144 ページ: 105103 (1-7)
  • DOI: 10.1063/1.4943394
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effects of Monohydric Alcohols and Polyols on the Thermal Stability of a Protein (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Murakami and M. Kinoshita
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: 144 ページ: 125105(1-10)
  • DOI: 10.1063/1.4944680
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] An Accurate and Efficient Computation Method of the Hydration Free Energy of a Large, Complex Molecule (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Yoshidome, T. Ekimoto, N. Matubayasi, Y. Harano, M. Kinoshita, and M. Ikeguchi
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: 142 ページ: 175101(1-11)
  • DOI: 10.1063/1.4919636
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Physicochemical Origin of High Correlation between Thermal Stability of a Protein and its Packing Efficiency: A Theoretical Study for Staphylococcal Nuclease Mutants (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Oda and M. Kinoshita
  • 雑誌名: Biophysics and Physicobiology 巻: 12 ページ: 1-12
  • DOI: 10.2142/biophysico.12.0_1
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Penetration of Platinum Complex Anions into Porous Silicon: Anomalous Behavior Caused by Surface-Induced Phase Transition (2015)
  • 著者名/発表者名: A. Koyama, K. Fukami, T. Sakka, T. Abe, A. Kitada, K. Murase, and M. Kinoshita
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry C 巻: 119 ページ: 19105-19116
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b03852
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] On the Physics of Thermal-Stability Changes upon Mutations of a Protein (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Murakami, H. Oshima, T. Hayashi, and M. Kinoshita
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: 143 ページ: 125102(1-13)
  • DOI: 10.1063/1.4931814
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Mechanism of One-to-Many Molecular Recognition Accompanying Target-Dependent Structure Formation: For the Tumor Suppressor p53 Protein as an Example (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Hayashi, H. Oshima, S. Yasuda, and M. Kinoshita
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry B 巻: 119 ページ: 14120-14129
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.5b08513
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Identification of thermostabilizing mutations for membrane proteins: Rapid method based on statistical thermodynamics (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Yasuda, Y. Kajiwara, Y. Takamuku, N. Suzuki, T. Murata, and M. Kinoshita
  • 学会等名: Joint Workshop on Chirality in Chiba University (WCCU) and on Soft-Molecule Activation
  • 発表場所: 千葉大学
  • 年月日: 2016-03-17
• [学会発表] Identification of thermostabilizing mutations for membrane proteins: Rapid method based on statistical thermodynamics (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Yasuda, Y. Kajiwara, Y. Takamuku, N. Suzuki, T. Murata, and M. Kinoshita
  • 学会等名: The 1st Symposium of Chiral Molecular Science & Technology in Chiba University -Advanced Materials Science, Biology & Nanophotonics in Chiba
  • 発表場所: 千葉大学
  • 年月日: 2016-02-29
• [学会発表] Expression, purification and crystallization of 5-HT2A receptor (2016)
  • 著者名/発表者名: N. Suzuki, A. Saito, K. Hitomi, K. Mizutani, Y. Kajiwara, S. Yasuda, M. Kinoshita, and T. Murata
  • 学会等名: Identification of thermostabilizing mutations for membrane proteins: Rapid method based on statistical thermodynamics
  • 発表場所: 千葉大学
  • 年月日: 2016-02-29
• [学会発表] Essential roles of water in actin-myosin binding (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Oshima, T. Hayashi, M. Kinoshita
  • 学会等名: Biophysical Society 60th Annual Meeting
  • 発表場所: Los Angeles Convention Center, California, USA
  • 年月日: 2016-02-27 – 2016-03-02
• [学会発表] タンパク質の水和自由エネルギーの高速計算法の開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 尾嶋拓
  • 学会等名: 鳩山サイエンスフォーラム in 北千住
  • 発表場所: 東京電機大学東京千住キャンパス
  • 年月日: 2015-12-19
• [学会発表] Mechanism of one-to-many molecular recognition accompanying target-dependent structure formation: For the tumor suppressor p53 protein (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Hayashi, H. Oshima, S. Yasuda, and M. Kinoshita
  • 学会等名: PACIFICHEM2015
  • 発表場所: Hawaii Convention Center
  • 年月日: 2015-12-14 – 2015-12-21
• [学会発表] Effects of cosolvent addition on the thermal stability of a protein (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Murakami and M. Kinoshita
  • 学会等名: PACIFICHEM2015
  • 発表場所: Hawaii Convention Center
  • 年月日: 2015-12-14 – 2015-12-21
• [学会発表] Theoretical prediction of mutations leading to enhanced structural stability of GPCRs (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Kajiwara, S. Yasuda, Y. Takamuku, N. Suzuki, T. Murata, and M. Kinoshita
  • 学会等名: PACIFICHEM2015
  • 発表場所: Hawaii Convention Center
  • 年月日: 2015-12-14 – 2015-12-21
• [学会発表] Expression, purification and crystallization of 5-HT2A receptor (2015)
  • 著者名/発表者名: N. Suzuki, A. Saito, K. Hitomi, Y. Takamuku, K. Mizutani, Y. Kajiwara, S. Yasuda, M. Kinoshita, and T. Murata
  • 学会等名: GPCR workshop 2015
  • 発表場所: Big island, Hawaii (USA)
  • 年月日: 2015-12-01 – 2015-12-05
• [学会発表] Development of thermostabilization method by mutation for GPCR: I. Theoretical prediction on the basis of statistical thermodynamics (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Yasuda, Y. Kajiwara, Y. Takamuku, N. Suzuki, T. Murata, and M. Kinoshita
  • 学会等名: GPCR workshop 2015
  • 発表場所: Big island, Hawaii (USA)
  • 年月日: 2015-12-01 – 2015-12-05
• [学会発表] Development of thermostabilization method by mutations for GPCR: II. Experimental verification of the theoretical prediction (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Takamuku, S. Yasuda, Y. Kajiwara, N. Suzuki, M. Kinoshita, and T. Murata
  • 学会等名: GPCR workshop 2015
  • 発表場所: Big island, Hawaii (USA)
  • 年月日: 2015-12-01 – 2015-12-05
• [学会発表] Towards structure determination of the human prostanoid receptor bound to the antibody (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Toyoda, K. Morimoto, R. Suno, Y. Sekiguchi, K. Yamashita, K. Hirata, S. Yasuda, Y. Kajiwara, T. Shimizu, Y. Urushibata, S. Yoshida, T. Kuribara, T. Hosoya, M. Kinoshita, Y. Sugimoto, N. Nomura, T. Murata, K. Takayama, M. Yamamoto, S. Narumiya, S. Iwata, and T. Kobayashi
  • 学会等名: GPCR workshop 2015
  • 発表場所: Big island, Hawaii (USA)
  • 年月日: 2015-12-01 – 2015-12-05
• [学会発表] On the statistical thermodynamics of actin polymerization in aqueous solution (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Hayashi, H. Oshima, and M. Kinoshita
  • 学会等名: 第53回 日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-15
• [学会発表] Prediction of thermostabilizing mutations for G protein-coupled receptors: Development of free-energy function (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Yasuda, Y. Kajiwara, Y. Takamuku, N. Suzuki, T. Murata, and M. Kinoshita
  • 学会等名: 第53回 日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-15
• [学会発表] Effects of cosolvent addition on the thermal stability of a protein (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Murakami and M. Kinoshita
  • 学会等名: 第53回 日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-15
• [学会発表] Prediction of thermostabilizing mutations for G protein-coupled receptors: Construction of an efficient method (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Kajiwara, S. Yasuda, Y. Takamuku, N. Suzuki, T. Murata, and M. Kinoshita
  • 学会等名: 第53回 日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-15
• [学会発表] A theoretical analysis on water roles in actin-myosin binding (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Oshima, T. Hayashi, M. Kinoshita
  • 学会等名: 第53回 日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-15
• [学会発表] 溶媒エントロピーの多体相関成分の蛋白質安定性への影響 (2015)
  • 著者名/発表者名: 尾嶋拓
  • 学会等名: 九大物性理論研究室・統計物理学研究室合同セミナー
  • 発表場所: 九州大学箱崎キャンパス
  • 年月日: 2015-06-27 – 2015-06-28
• [図書] Mechanism of Functional Expression of the Molecular Machine (2016)
  • 著者名/発表者名: Masahiro KINOSHITA
  • 総ページ数: in press
  • 出版者: Springer
• [備考] 木下正弘研究室
  • URL: http://www.iae.kyoto-u.ac.jp/centerbunya/kinoshita
• [産業財産権] 膜タンパク質の熱安定化変異体予測装置，熱安定化変異体予測方法，および，プログラム (2015)
  • 発明者名: 村田武士，木下正弘，安田賢司，他4名
  • 権利者名: 村田武士，木下正弘，安田賢司，他4名
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: PCT/JP2015/068277
  • 出願年月日: 2015-06-24
  • 外国