| 研究課題/領域番号 |
26410031
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| 研究機関 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 |
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研究代表者 |
石田 豊和 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 機能材料コンピュテーショナルデザイン研究センター, 主任研究員 (70443166)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | QM/MM計算 / 自由エネルギー計算 / キャプシドタンパク質 / 糖鎖認識 / 酵素反応 / バイオマス分解酵素 |
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| 研究実績の概要 |
タンパク質と糖鎖間の分子認識／相互作用は様々な生体機能にて重要な役割を果たすが、複雑な糖鎖構造と結合するレクチンの分子メカニズム、および糖鎖を基質とする酵素反応に関しては、分子レベルの反応機構で依然として不明な点が多く残されている。本研究課題ではタンパク質の糖鎖認識および酵素反応を取り上げて、独自のQM/MM計算技術を基礎にした複合シミュレーション手法を適用し、弱い相互作用を基礎としたタンパク質の糖鎖認識、それに続く酵素反応機構の分子メカニズムを解明することが目的である。
昨年度からの研究に引き続き、ノロウィルスキャプシドタンパク質の糖鎖認識機構の解析においては、標的糖鎖との結合親和性を分子シミュレーションから解析するために、標的糖鎖構造を典型的な糖鎖に設定して、アミノ酸変異が結合自由エネルギーに及ぼす影響を詳細に解析した。キャプシドタンパク質の糖鎖認識はタンパク質表面での弱い相互作用が基礎となっているので、１アミノ酸変異の影響はタンパク質との相互作用だけでなく溶媒との相互作用も大きく変化し、結果として天然型／変位型タンパク質間の結合自由エネルギー差はごく小さな値になることが再確認できた。通常の計算機環境ではこの自由エネルギー差を精度よく計算するのは難しく、一般的な計算条件（分子動力学計算のサンプリング時間、自由エネルギー摂動法を適用する際の各windowの分割条件など）の下では、数kcal/molの計算誤差を伴うことを確認した。
また今年度から酵素反応系の対象としてバイオマス分解酵素の分子モデリングを新たに開始して、比較的大きな糖鎖が酵素に結合した場合のタンパク質－基質との相互作用、基質歪みの程度などをQM/MM計算による構造最適化構造と実験構造を比較することで解析し、自由エネルギー計算を実行する前段階として、ポテンシャルエネルギーレベルでの反応エネルギー変化を計算した。
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| 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
昨年からの課題であった糖鎖結合の自由エネルギー計算に関して、計算誤差の由来を確認するために計算手法に由来すると考えられる誤差の検討を行い、長時間の分子動力学計算（サンプリング）実行、自由エネルギー摂動法を用いた際の摂動パラメータ（エネルギー分割の各windowを細かく刻んだ場合の計算、および分子間相互作用の主要項である静電相互作用エネルギーを決める元になる、形式電荷の再フィット）を再設定して再計算を実行して、標準的な計算機環境で分子動力学計算を実行した際に伴う計算誤差を見積もった。今回のように比較的大きな分子構造を持ち、かつ分子内自由度も大きく極性分子を対象とした場合には、やはり数kcal/mol程度の誤差を伴うことが普通であり、状態が大きく離れた系の自由エネルギー差を評価する場合には注意を要することが改めて確認できた。そして本系の研究に関してはここで一つの区切りとして、投稿論文も投稿中の段階にあり、以後は酵素反応系の研究に集中する予定でいる。
バイオマス分解酵素を対象にした研究に関しては、タンパク質構造データを海外研究機関の実験グループから提供を受けており、酵素基質複合体の初期分子モデリング、そしてQM/MMポテンシャルエネルギーレベルでの反応エネルギー評価をすでに進めているので、次年度の研究で天然型酵素を対象とした基本反応プロファイルの計算解析まで実行する予定でいる。
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| 今後の研究の推進方策 |
最終年度は酵素反応解析を中心として進める。予備計算として、X線構造を用いた天然型酵素基質複合体の分子モデリング、反応ポテンシャルエネルギー面の解析は完了しつつあるので、今後も計算手法／プログラムに適時改良を加えながら計算科学研究を続ける。
またバイオマス分解酵素の研究に関しては、海外研究機関との国際共同研究となるのとで、研究費の多くを旅費に割り当てることで出張旅費を確保し、海外の研究機関との積極的な共同研究を進めて、研究成果が最大限になるように予算利用を再調整する。研究計画の最終年度である次年度は、これまで得られた研究成果を積極的に発表するために、国内外の研究集会に積極的に参加発表することとし、そのための出張旅費にも本研究予算の多くを利用する予定でいる。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本研究課題では、糖鎖認識系の研究と並行して糖鎖を基質とする酵素タンパク質の機能解析も実行する予定でいる。キャプシドタンパク質の糖鎖認識機構解明に関しては、結合自由エネルギー計算を基にした糖鎖結合能の計算結果が得られ、学会での招待講演および投稿論文としての成果発表など、一定の研究成果が得られた。
この一方で、バイオマス分解酵素の機能解析に関しては、新たに海外研究機関との共同研究に発展する可能性があり、これまで自身が開発してきた計算手法と海外グループとの連携により、基本的な酵素反応機構の解明に向けてさらに研究が進展する可能性があるので、当初研究計画を見直して期間延長することで研究継続する方針を選択した。
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| 次年度使用額の使用計画 |
バイオマス分解酵素の反応機構解明に関しては、海外グループにより構造が解かれた酵素構造を基に分子モデリングおよび反応自由エネルギープロファイルの計算を予定しているので、計算結果の解釈および実験データとの比較検討など、海外グループとの共同作業／議論が重要になると予想される。もちろん、電子メールベースの打ち合わせ／相談などは随時行うが、場合によっては現地での共同研究＆作業が必要になることが予想されるので、研究費の多くの部分を旅費に振り分けて、本提案の最終目標達成のために最も効率の良い研究体制をとる。並行して今後は、これまで得られた研究成果を積極的に発表するために、国内外の研究集会に積極的にも参加発表する予定でいるので、このために本科研費予算を利用する。
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