生体ハイドロジェノミクスの理論解析

2020 年度 実績報告書

• 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 / プロトン移動反応 / 電子移動経路 / 酸解離定数 / プロトン化状態 / 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。
R02年度は特に、完全酸化された構造からの水素による再活性化過程について、QM/MM計算を行なった。酸化状態では、活性サイトに水素分子の吸着が直接起こらないことを確認した。したがって、分子状の水素ではなく原子状、あるいは自ら生ずるオキソニウムイオン、ヒドロニウムイオン、あるいは電子移動が起こる必要があることを意味している。

現在までの達成度 (段落)

令和2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

令和2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] Molecular Motions of Imidazole in Poly(vinylphosphonic acid)-Imidazole Composites Investigated by Molecular Dynamics Simulations (2021)
  • 著者名/発表者名: Hori Yuta、Suetake Toshiya、Shigeta Yasuteru、Ida Tomonori、Mizuno Motohiro
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 50 ページ: 17～20
  • DOI: 10.1246/cl.200635
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Folding of Trp-cage is Regulated by Stochastic Flip of the Side Chain of Tryptophan (2021)
  • 著者名/発表者名: Yasuda Takunori、Shigeta Yasuteru、Harada Ryuhei
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 50 ページ: 162～165
  • DOI: 10.1246/cl.200699
  • 査読あり
• [雑誌論文] Why are lopinavir and ritonavir effective against the newly emerged Coronavirus 2019?: Atomistic insights into the inhibitory mechanisms (2020)
  • 著者名/発表者名: B. Nutho, P. Mahalapbutr, K. Hengphasatporn, N.C. Pattaranggoon, N. Simanon, Y. Shigeta, S. Hannongbua, T. Rungrotmongkol
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 59 ページ: 1769-1779
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.0c00160
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Neutron crystallography of copper amine oxidase reveals keto/enolate interconversion of the quinone cofactor and unusual proton sharing (2020)
  • 著者名/発表者名: Murakawa Takeshi、Kurihara Kazuo、Shoji Mitsuo、Shibazaki Chie、Sunami Tomoko、Tamada Taro、Yano Naomine、Yamada Taro、Kusaka Katsuhiro、Suzuki Mamoru、Shigeta Yasuteru、Kuroki Ryota、Hayashi Hideyuki、Yano Takato、Tanizawa Katsuyuki、Adachi Motoyasu、Okajima Toshihide
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 117 ページ: 10818～10824
  • DOI: 10.1073/pnas.1922538117
  • 査読あり
• [雑誌論文] Regenerations of Initial Velocities in Parallel Cascade Selection Molecular Dynamics (PaCS-MD) Enhance the Conformational Transitions of Proteins (2020)
  • 著者名/発表者名: Aida Hayato、Shigeta Yasuteru、Harada Ryuhei
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 49 ページ: 798～801
  • DOI: 10.1246/cl.200196
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Dynamics of S-adenosyl-methionine and S-adenosyl-homocysteine in Mouse Dnmt1 is Driven by Their Structural Flexibilities (2020)
  • 著者名/発表者名: Yasuda Takunori、Shigeta Yasuteru、Harada Ryuhei
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 49 ページ: 785～788
  • DOI: 10.1246/cl.200223
  • 査読あり
• [雑誌論文] Understanding the Detection Mechanisms and Ability of Molecular Hydrogen on Three-Dimensional Bicontinuous Nanoporous Reduced Graphene Oxide (2020)
  • 著者名/発表者名: Ito Yoshikazu、Kayanuma Megumi、Shigeta Yasuteru、Fujita Jun-ichi、Tanabe Yoichi
  • 雑誌名: Materials 巻: 13 ページ: 2259～2259
  • DOI: 10.3390/ma13102259
  • 査読あり
• [雑誌論文] Analytical Method Using a Scaled Hypersphere Search for High-Dimensional Metadynamics Simulations (2020)
  • 著者名/発表者名: Mitsuta Yuki、Shigeta Yasuteru
  • 雑誌名: Journal of Chemical Theory and Computation 巻: 16 ページ: 3869～3878
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.0c00010
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reaction mechanism of N-cyclopropylglycine oxidation by monomeric sarcosine oxidase (2020)
  • 著者名/発表者名: Shoji Mitsuo、Abe Yukihiro、Boero Mauro、Shigeta Yasuteru、Nishiya Yoshiaki
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 22 ページ: 16552～16561
  • DOI: 10.1039/D0CP01679A
  • 査読あり
• [雑誌論文] Efficient Conformational Sampling of Collective Motions of Proteins with Principal Component Analysis-Based Parallel Cascade Selection Molecular Dynamics (2020)
  • 著者名/発表者名: Yasuda Takunori、Shigeta Yasuteru、Harada Ryuhei
  • 雑誌名: Journal of Chemical Information and Modeling 巻: 60 ページ: 4021～4029
  • DOI: 10.1021/acs.jcim.0c00580
  • 査読あり
• [雑誌論文] Self-Associating Curved π-Electronic Systems with Electron-Donating and Hydrogen-Bonding Properties (2020)
  • 著者名/発表者名: Haketa Yohei、Miyasue Mika、Kobayashi Yoichi、Sato Ryuma、Shigeta Yasuteru、Yasuda Nobuhiro、Tamai Naoto、Maeda Hiromitsu
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 142 ページ: 16420～16428
  • DOI: 10.1021/jacs.0c07751
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tunneling matrix element and tunneling pathways of protein electron transfer calculated with a fragment molecular orbital method (2020)
  • 著者名/発表者名: Kitoh-Nishioka Hirotaka、Shigeta Yasuteru、Ando Koji
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 153 ページ: 104104～104104
  • DOI: 10.1063/5.0018423
  • 査読あり
• [雑誌論文] Proton Conduction Mechanism in Proton-Conducting PVPA-<i>x</i>Im Composites Investigated by Theoretical Approaches (2020)
  • 著者名/発表者名: HORI Yuta、SUETAKE Toshiya、IDA Tomonori、MIZUNO Motohiro、SHIGETA Yasuteru
  • 雑誌名: Journal of Computer Chemistry, Japan 巻: 19 ページ: 131～132
  • DOI: 10.2477/jccj.2020-0028
  • 査読あり
• [雑誌論文] Membrane Permeability from Solvation Free Energy Calculation of Cyclic Dipeptide (CDP) (2020)
  • 著者名/発表者名: YANAGI Kohki、HARADA Ryuhei、MITSUTA Yuki、SHIGETA Yasuteru
  • 雑誌名: Journal of Computer Chemistry, Japan 巻: 19 ページ: 125～127
  • DOI: 10.2477/jccj.2021-0008
• [学会発表] Covid-19関連タンパク質に対する統合的インシリコリポジショニング (2021)
  • 著者名/発表者名: 重田育照
  • 学会等名: HPCIオープンセミナー「スーパーコンピュータとCOVID-19」
  • 招待講演
• [学会発表] 計算化学による生命機能の解析:医薬分野との協働に向けて (2020)
  • 著者名/発表者名: 重田育照
  • 学会等名: 第93回 日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] Covid-19関連タンパク質に対する統合的インシリコリポジショニング (2020)
  • 著者名/発表者名: 重田育照
  • 学会等名: 第9回 JCAHPC セミナー（第4回OFP 利用活用報告会）「人類と地球を守るスーパーコンピューティング」
  • 招待講演