生体分子構造およびに生体分子間相互作用の安定化における水分子の役割の解明

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26800227
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 苙口 友隆 慶應義塾大学, 理工学部, 講師 (90589821)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 生体分子 / 水和構造 / 分子動力学シミュレーション / 分子力場 / 低温X線結晶構造解析 / 機能的構造揺らぎ

研究実績の概要

本研究課題は、生体分子の構造安定性や機能発揮における水和構造の役割を明らかにすることを目的として行われた。研究代表者はこれまでの研究において、X線溶液散乱(SAXS)実験と分子動力学(MD)シミュレーションを組み合わせた方法を開発することで、生体分子の周りには特異的な水和構造があることを明らかにしてきた。得られた知見を基に、本研究改題においてはこれまで、(1)水和構造の実験情報を再現する分子力場の構築、(2)生体分子の機能的動きと水和構造の相関、の2つの研究項目を行ってきた。
(1) 水和構造の実験情報を再現する分子力場の構築
本研究項目においては、生体分子の低温X線結晶構造のデータベース解析によって得られた実験水和構造を、MDシミュレーションによって比較解析することにより、水和構造の物理化学的理解を進めてきた。その結果、現在最も良く用いられている分子力場モデルである1原子1電荷モデルでは、極性原子周辺の実験水和構造を説明できず、原子内分極を考慮する必要があることが分かってきた。得られた知見を基に実験水和構造を再現できる分子力場モデルを構築することに成功し、現在それらの成果を投稿論文としてまとめているところである。
(2) 生体分子の機能的動きと水和構造の相関
多重ドメイン構造を持つグルタミン酸脱水素酵素（GDH）をモデル生体分子として、水和構造がどのようにして蛋白質の機能的運動を制御しているかをMDシミュレーションによって調べた。得られた計算結果を、SAXS実験や原子間力顕微鏡による測定と比較したところ、GDHは基質非結合状態において既に、基質を認識する動きであるドメイン間が閉じる運動を行っていることを明らかにした。また、MDトラジェクトリーの詳細な解析により、ドメイン間活性クレフトの奥にて起きる協同的な脱水和がドメイン運動を引き起こしていることを明らかにした。

研究成果

• [雑誌論文] Classification and assessment of retrieved electron density maps in coherent X-ray diffraction imaging using multivariate analysis (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuki Sekiguchi, Tomotaka Oroguchi, and Masayoshi Nakasako
  • 雑誌名: Journal of Synchrotron Radiation 巻: 23 ページ: 312-323
  • DOI: doi:10.1107/S1600577515018202
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Classification of projection images of proteins with structural polymorphism by manifold: A simulation study for X-ray free-electron laser diffraction imaging (2015)
  • 著者名/発表者名: Takashi Yoshidome, Tomotaka Oroguchi, Masayoshi Nakasako, and Mitsunori Ikeguchi
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 92 ページ: 032710,13pages
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.92.032710
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cryogenic coherent X-ray diffraction imaging for biological non-crystalline particles using the KOTOBUKI-1 diffraction apparatus at SACLA (2015)
  • 著者名/発表者名: Tomotaka Oroguchi, et al.
  • 雑誌名: Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics 巻: 48 ページ: 184003, 11pages
  • DOI: doi:10.1088/0953-4075/48/18/184003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Coherent X-ray diffraction imaging of chloroplasts from Cyanidioschyzon merolae by using X-ray free electron laser (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuki Takayama, Yayoi Inui Yuki Sekiguchi1, Amane Kobayashi, Tomotaka Oroguchi, Masaki Yamamoto, Sachihiro Matsunaga and Masayoshi Nakasako
  • 雑誌名: Plant Cell Physiology 巻: 56 ページ: 1272-1286
  • DOI: 10.1093/pcp/pcv032
  • 査読あり
• [学会発表] Nanoscale wetting and drying processes dominate protein functional motions (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomotaka Oroguchi
  • 学会等名: TSRC Protein Dynamics Workshop
  • 発表場所: Telluride (USA)
  • 年月日: 2016-08-03 – 2016-08-07
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Nanoscale wetting and drying processes work as a switch for protein functional motions (2016)
  • 著者名/発表者名: 苙口友隆
  • 学会等名: 日本化学会 第96春季年会
  • 発表場所: 同志社大学 (京都府・京田辺市)
  • 年月日: 2016-03-24 – 2016-03-27
  • 招待講演