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2019 年度 実績報告書

生体ハイドロジェノミクスの理論解析

公募研究

研究領域ハイドロジェノミクス:高次水素機能による革新的材料・デバイス・反応プロセスの創成
研究課題/領域番号 19H05047
研究機関筑波大学

研究代表者

重田 育照  筑波大学, 計算科学研究センター, 教授 (80376483)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
キーワード電子状態計算 / 反応解析 / 構造解析 / プロトン移動経路 / 電子移動経路 / プロトン化状態 / 酸解離定数 / 酸化還元電位
研究実績の概要

ヒドロゲナーゼは遷移金属を含む活性部位(触媒サイト)において水素分子をプロトンと電子へと可逆的に変換する役割を果たす酵素であり、ある種の嫌気的生物はその電子エネルギーを利用し生命システムを維持してきた。この機能は言わば生体内燃料電池であり、ヒドロゲナーゼの機能を理解することは、ハイドロジェノミクスの分野を生物系へ拡張する上で極めて本質的である。
本研究では、完全酸化状態である[NiFe]ヒドロゲナーゼの分子状水素による再活性化機構を明らかにするため、嫌気性条件下で得られた新たなX線、および中性子線結晶構造解析結果の構造の妥当性、およびその安定性を検証することを目的としている。また、水素分子との反応についての知見を得ることで、再活性化の可能性を検討した。
従来、再活性化が遅いNi-Aとして同定されていた構造は酸素により過剰に酸化された構造であったが、今回得られた構造は反応サイクル中のそれと類似しており、QM/MM計算による網羅計算により、NiとFe間を架橋する酸素種はO2-、Niの価数は+3、スピンは低スピン状態であることが同定された。また、再活性化が速いNi-BについてはNiとFe間を架橋する酸素種はOH-、Niの価数は+3、スピンは低スピン状態であることが同定された。本研究により、新規構造の妥当性を検証するとともに、結晶構造解析からは観測が困難な水素の空間配置の決定、および遷移金属の価電子数とスピン状態が明らかとなった。
一方で、これらの構造に対して分子状の水素分子との反応を試みたが、取り扱ったQM/MMモデルでは、物理吸着は行うものの化学吸着し反応が進むことはなかった。今後はQM/MMモデルの再検討とともに、電子移動経路に対する影響も調べる方針である。

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

硫酸還元細菌Desulfovibrio vulgaris Miyazaki F株に由来する[NiFe]ヒドロゲナーゼは、水素を外部から取り込み[NiFe]活性サイトで水素分子を電子とプロトンに可逆的に変換する。その際、[NiFe]活性サイトは休止状態である酸化状態から、活性状態であるNiSIa反応、NiR状態、NiC状態を経て触媒サイクルが完了することが、様々な実験データ・理論計算から明らかとなっている。触媒サイクルでの構造変化については、これまでの多くの理論計算から多くの知見が得られているものの、完全酸化型についての研究は古い結晶構造データに基づいていたため、研究はそれほど進んでいなかった。
本研究では最新のX線結晶構造に基づき、新たにQM/MM計算による構造解析を進めることで、当初の目的である完全酸化型構造の同定に成功した。また、分子状水素との反応性についても予備計算を行うことで、従来提唱されているメカニズムとは異なる可能性を提案した。

今後の研究の推進方策

上記の構造解析、および反応解析に有効なQM/MM計算では酸化還元電位の相対値は算出できるものの、絶対値の特定は困難である。したがって、タンパク質の全系の電子状態を量子力学的に取り扱う必要がある。申請者のグループが開発しているフラグメント分子軌道(FMO)法、および、LCAO-FMO法により、各状態におけるヒドロゲナーゼ中の鉄硫黄クラスターの酸化還元電位および各Fe原子の酸化数を特定することで、量子論的な生体エネルギー変換機構を明らかにする。また、プロトン移動と水素分子輸送経路についても、どのようなアミノ酸残基が関与しているかを同定する。

  • 研究成果

    (16件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 2件、 査読あり 7件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 5件、 招待講演 7件)

  • [国際共同研究] Chulalongkorn University(タイ)

    • 国名
      タイ
    • 外国機関名
      Chulalongkorn University
  • [国際共同研究] Max Planck Institute(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      Max Planck Institute
  • [雑誌論文] Reaction of threonine synthase with the substrate analogue 2-amino-5-phosphonopentanoate: Implications into the proton transfer at the active site2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Machida, T. Murakawa, A. Sakai, M. Shoji, Y. Shigeta, H. Hayashi
    • 雑誌名

      Biochemistry

      巻: 167 ページ: 357-364

    • DOI

      10.1093/jb/mvz100

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Multiple Virtual Screening Strategies for the Discovery of Novel Compounds Active Against Dengue Virus: A Hit Identification Study2020

    • 著者名/発表者名
      K. Hengphasatporn, A. Garon, P. Wolschann, T. Langer, Y. Shigeta, T. Nguyen Thanh Huynh, W. Chavasiri, T. Saelee, S. Boonyasuppayakorn, T. Rungrotmongkol
    • 雑誌名

      Scientia Pharmaceutica

      巻: 88 ページ: 2 (19 pages)

    • DOI

      10.3390/scipharm88010002

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Estimation of Acid Dissociation Constants (pKa) of N-containing Heterocycles in DMSO and Transferability of Gibbs Free Energy in Different Solvent Conditions2020

    • 著者名/発表者名
      K. Hengphasatporn, T. Matsui, Y. Shigeta
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 49 ページ: 307-310

    • DOI

      10.1246/cl.190946

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Distribution of Conter Ions in Negatively-charged Lipid/Water/Air Interface: Molecular Dynamics Study2020

    • 著者名/発表者名
      T. Takahashi, R. Harada, Y. Shigeta
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 49 ページ: 361-363

    • DOI

      10.1246/cl.200043

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Local Hydrogen Bond Structures and Dynamics of Imidazole Molecules in Poly(vinylphosphonic acid) Imidazole Composite Material: A Molecular Dynamics Study2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Hori, T. Suetake, Y. Shiota, K. Yoshizawa, Y. Shigeta, T. Ida, M. Mizuno
    • 雑誌名

      ACS Applied Polymer Materials

      巻: 2 ページ: 1561-1568

    • DOI

      10.1021/acsapm.9b01222

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Elucidation of the whole Kok cycle for photosynthetic water oxidation by the large-scale quantum mechanics/molecular mechanics calculations: comparison with the experimental results by the recent serial femtosecond crystallography2019

    • 著者名/発表者名
      M. Shoji, H. Isobe, J.-R. Shen, M. Suga, F. Akita, K. Miyagawa, Y. Shigeta, K. Yamaguchi
    • 雑誌名

      Chemical Physics Letters

      巻: 730 ページ: 416-425

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2019.06.026

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Accessing the Accuracy of Density Functional Theory through Structure and Dynamics of the Water-Air Interface2019

    • 著者名/発表者名
      T. Ohto, M. Dodia, J. Xu, S. Imoto, F. Tang, F. Zysk, T. D. Kuhne, Y. Shigeta, M. Bonn, X. Wu, Y. Nagata
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 10 ページ: 4914-4919

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.9b01983

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Computational Studies on Octanol/water Partition Coefficient of Organic Molecules2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Shigeta
    • 学会等名
      7th International Conference on Chemical and Biological Sciences
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Theoretical Investigation on Photofunctional pi-electron Materials2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Shigeta
    • 学会等名
      pi-system figuration European-Japanese workshop 201
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Theoretical Studies on Membrane Permeability of Middle-sized Molecular Drugs using Implicit Membrane Models2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Shigeta
    • 学会等名
      5th Japan-Thai workshop on Theoretical and Computational Chemistry 2019
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Theoretical Studies on Membrane Permeability of Middle-sized Molecular Drugs2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Shigeta
    • 学会等名
      10th The Asian Consortium on Computational Materials Science
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Theoretical Studies on Reaction Mechanisms of Metalloenzymes: QM/MM analyses2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Shigeta
    • 学会等名
      23rd International Annual Symposium on Computational Science and Engineering
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] データ同化型分子動力学計算法の開発2019

    • 著者名/発表者名
      重田育照
    • 学会等名
      膜タンパク質研究会2019
    • 招待講演
  • [学会発表] 青色受容タンパク質クリプトクロムの多様な機能と磁気感受応答に関する理論的アプローチ2019

    • 著者名/発表者名
      重田育照
    • 学会等名
      量子生命科学会第1回大会
    • 招待講演

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公開日: 2021-01-27  

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