生命金属動体解明のための量子生体エネルギー論

2020 年度 実績報告書

• 研究領域: 「生命金属科学」分野の創成による生体内金属動態の統合的研究
• 研究課題/領域番号: 20H05497
• 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): 2020-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 電子状態計算 / 反応解析 / 構造解析 / 電子移動反応 / プロトン移動反応

研究実績の概要

本研究では、従来の（化学）熱力学や電気化学を基礎とする古典的生体エネルギー論を拡張し、量子論的な理解を通した生体エネルギー論を展開する。そのため我々がこれまで開発してきた平均場理論に基づくフラグメント分子軌道法（FMO: JCCJ2014, 2015）をベースに、高精度な第一原理計算と低精度のそれを組み合わせたハイブリッドQM/QM法を新規開発する。具体的なターゲットとして、近年、時間分解X線結晶構造解析によりそのダイナミクスが解明されつつある「シトクロムc酸化酵素の酸化還元と結合したプロトン輸送」を取り扱い、化学エネルギーを膜間電位差へ変換する過程における金属動体の詳細を明らかにする。特に下記の２つのテーマを遂行する
（１）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、FMO-LCMO法を発展させ、活性サイトおよびプロトン移動経路を取り扱える大規模なQM/QM計算手法を開発する。
（２）シトクロムc酸化酵素では、大きく分けて３つの水素（プロトン）輸送経路、および金属補酵素を含む電子移動経路が存在する。特にポンプされるプロトンは、タンパク質内ではプロトン移動がスムーズに行われるよう、経路上のアミノ酸残基のpKaに勾配があると考えられている。しかしながら、結晶構造のみからその詳細を検討することは困難である。大規模QM/MM計算によりプロトン輸送経路・電子移動経路に重要なアミノ酸残基、結晶構造には含まれない水の存在の有無を理論予測する。また、阻害剤・活性化剤の効果を検討する。

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

生体内の電子移動(ET)反応は、タンパク質中を電子が長距離トンネル移動することで起こっていることが分かっている。しかし、電子トンネル移動を媒介するタンパク質環境の役割については、未だ明らかになっていない点が多い。
我々は、フラグメント分子軌道(FMO)法を用いてタンパク質中のET経路を高精度かつ低計算コストで解析する手法の開発を行ってきた。この手法では、FMO法のフラグメント電子状態計算の結果から、全系のハミルトニアンや分子軌道関数を計算するFMO線形結合(FMO-LCMO)法を基に、電子トンネル行列要素(TDA)計算やET経路解析が実行される。ここでは以下で説明する簡単なモデル架橋分子を採用し、全系をDFTで解いて一般化Mulliken-Hush（GHM）法で求めた場合のKohn-Sham軌道によるTDA計算の精度検証と、FMO-DFTに基づくブリッジグリーン関数（BGF）、および採用する分子軌道を制限するLCVMO法を用いた場合の性能評価を行った。
FMOを用いたET計算の性能の妥当性を、以下の3種類の異なるタンパク質-ETモデル分子について実証した。(1) α-helixとβ-strand構造のポリアラニンリンカーによって共有結合で架橋された2つのトリプトファン間の正孔輸送（モデル1）、(2) α-helixとβ-strand構造のポリアラニンリンカーによって共有結合で架橋された2つのプラストキノン間の電子輸送（モデル２）。 また、金属タンパク質のモデル系として(3) Ru修飾アズリン誘導体のモデルとして、ポリグリシンリンカーによって共有結合的に架橋されたルテニウム(Ru)と銅(Cu)錯体間の正孔移動のリンカー伸長依存性（モデル３）を検討した。（H. Nishioka-Kitoh, Y. Shigeta, K. Ando, JCP 2020, 153, 104104）

今後の研究の推進方策

呼吸鎖終端酵素であるシトクロムc酸化酵素（CcO）は、酸素を還元し、その余剰エネルギーを用いてプロトン濃度の低いネガティブサイトからポジティブサイトに能動的にプロトンを輸送することが知られている。CcO内には電子伝達経路であるCuAサイト・Heme_aサイト、酵素活性部位であるHeme_a3・CuBサイト（金属２核中心）の３つの金属サイトが存在し、それらがCcOの酵素活性を担っている。近年、CcOを阻害する化合物がいくつか見つかり、そのうちある種の化合物はHeme_aサイトとHeme_a3サイト近傍のヘリックスに結合していることが判明した。
R02年度には、分子動力学計算を用いて、阻害剤の有無によりどのような構造変化が阻害過程に効いているのかを検証した。まず、電子移動の阻害の可能性を検討するため、Heme_aサイトとHeme_a3サイトのFe原子間の距離を計測した。阻害剤有りの方は、阻害剤無しの方に比べ、Fe原子間距離が若干伸びる（1オングストローム程度）ものの、大きな差異は見られないことがわかった。一方で、Heme_a3サイトのプロピオン酸に水素結合していたLysが外れ、Heme_aサイトのプロピオン酸と水素結合を形成することとなった。この変化が電子移動にどのように関わるかを調べるため、QM/MMなどの量子化学計算による検討を進める方針である。また、実験ではHeme_aサイトからHeme_a3サイトへの電子移動が阻害されていることが、示唆されている。そこで、分子動力学計算で得られたいくつかの代表構造に対して電子移動経路の解析を行うことで、阻害メカニズムを解明する。

研究成果

• [雑誌論文] Weak O2 binding and strong H2O2 binding at the non-heme diiron center of trypanosome alternative oxidase (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamasaki Sotaro、Shoji Mitsuo、Kayanuma Megumi、Sladek Vladimir、Inaoka Daniel Ken、Matsuo Yuichi、Shiba Tomoo、Young Luke、Moore Anthony L.、Kita Kiyoshi、Shigeta Yasuteru
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 巻: 1862 ページ: 148356～148356
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2020.148356
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Split conformation of Chaetomium thermophilum Hsp104 disaggregase (2021)
  • 著者名/発表者名: Inoue Yosuke、Hanazono Yuya、Noi Kentaro、Kawamoto Akihiro、Kimatsuka Masato、Harada Ryuhei、Takeda Kazuki、Kita Ryoichi、Iwamasa Natsuki、Shibata Kyoka、Noguchi Keiichi、Shigeta Yasuteru、Namba Keiichi、Ogura Teru、Miki Kunio、Shinohara Kyosuke、Yohda Masafumi
  • 雑誌名: Structure 巻: － ページ: －
  • DOI: 10.1016/j.str.2021.02.002
  • 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: Nutho Bodee、Mahalapbutr Panupong、Hengphasatporn Kowit、Pattaranggoon Nawanwat Chainuwong、Simanon Nattapon、Shigeta Yasuteru、Hannongbua Supot、Rungrotmongkol Thanyada
  • 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] 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] 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] Unique protonation states of aspartate and topaquinone in the active site of copper amine oxidase (2020)
  • 著者名/発表者名: Shoji Mitsuo、Murakawa Takeshi、Boero Mauro、Shigeta Yasuteru、Hayashi Hideyuki、Okajima Toshihide
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 10 ページ: 38631～38639
  • DOI: 10.1039/D0RA06365G
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Agonist and Antagonist-Diverted Twisting Motions of a Single TRPV1 Channel (2020)
  • 著者名/発表者名: Fujimura Shoko、Mio Kazuhiro、Kuramochi Masahiro、Sekiguchi Hiroshi、Ikezaki Keigo、Mio Muneyo、Hengphasatporn Kowit、Shigeta Yasuteru、Kubo Tai、Sasaki Yuji C.
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 124 ページ: 11617～11624
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c08250
  • 査読あり
• [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: 日本生化学会大会、シンポジウム「学際研究で切り拓く脂質とアミノ酸のメ タボダイナミズム」
  • 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