2018 Fiscal Year Research-status Report
Searching the bottleneck of enzymatic reactions: Reaction path sampling calculation accompanied with experiment
| Project/Area Number |
17KT0101
|
|---|
| Research Institution | Nippon Medical School |
|---|
Principal Investigator |
藤崎 弘士 日本医科大学, 医学部, 准教授 (60573243)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
楯 真一 広島大学, 理学研究科, 教授 (20216998)
山本 典史 千葉工業大学, 工学部, 准教授 (30452163)
森次 圭 横浜市立大学, 生命医科学研究科, 特任准教授 (80599506)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-07-18 – 2020-03-31
|
| Keywords | 酵素反応 / パスサンプリング / 反応経路 / レアイベント |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
細胞内における生体分子の機能として重要なものの一つが酵素反応であり、それは生命活動に必要不可欠な化学反応や構造変化を表す。生化学の分野では今までに、様々な酵素反応の素過程やそれらの連なりとしての反応サイクルが明らかにされている。一般的に言って、基質が別の分子に変化する酵素反応においては、酵素と基質との相互作用によって、反応は酵素がない場合よりも加速される。それは自由エネルギー障壁が低くなることとして理解されるが、それ以外にも「動的な」効果が存在するはずである。ただし、その分子的なメカニズムは、動的な遷移状態を特徴づけるのが実験的にも理論的にも難しいため、解明はあまり進んでいない。そこで本研究では酵素反応を分子レベルかつ動的にとらえるための計算手法を開発し、それをいくつかの酵素に適用して解析を行う。
前年度までは研究分担者である、広島大の楯教授のグループが扱っているPIN1酵素に対して予備的な計算を行った。この場合、PIN1酵素に結合する基質に含まれるプロリンの異性化が酵素反応であり、この異性化反応を動的にとらえ、実験で測られている酵素反応の速度と直接比較することが目的である。また、その際に、単純に分子動力学シミュレーションを行っても、異性化のエネルギー障壁が高く、それを乗り越える結果を得ることが難しいので、重み付きアンサンブル法という手法を用いて計算を行った。重み付きアンサンブル法は多数の軌道（粒子）を用いて、超並列計算によりエネルギー障壁を乗り越えるようなレアイベントを効率よく生成する方法であり、酵素反応の動的な特徴づけに適している。前年度はこれを小さなペプチドにも適用し、その有効性を示して論文も出版した。この手法をそのままPIN1酵素にも適用し、異性化のエネルギー障壁を人為的に小さくした場合は有効であることが分かった。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
予備的な計算ではPIN1酵素に対する重み付きアンサンブル法の計算はうまく行っていたが、異性化バリアーの値を現実に近づけると、エネルギー障壁がより高くなるために、これまでのように単純なプロトコルで重み付きアンサンブル法を実行してもうまくいかないことが分かった。これはエネルギー障壁が高いために遷移がより遅くなってしまう（ミリ秒以上かかる）ことに起因する。遷移を効率的に引き起こすために、粒子（軌道）の数や、反応座標のビンの切り方、各ビン内の計算時間などを最適化する必要があるとともに、粒子にある程度バイアスをかけて、遷移を加速しなければならない。そのための試行錯誤や新たな方法論開発をするのに時間がかかってしまった。また酵素反応であるので、量子化学的な計算をする必要もあるが、それに関しても前年度は進まなかった。
|
| Strategy for Future Research Activity |
PIN1酵素の異性化反応のレートを現実的なバリアで計算しなければならないので、現在は重み付きアンサンブル法の計算と並行して、反応座標（角度）に沿った拡散係数を求める計算も行っている。これから Kramers の式、もしくはランジュバン方程式によってレートが算出できるものと考えている。重み付きアンサンブル法の改良も続ける。量子化学的な計算に関しては、amber の DFTB のモジュールを使うことでできるものと考えており、基質に関する予備的な計算を進めている。また他の酵素に関しても、実際に扱った経験があり、先行研究も豊富に存在する、アデニル酸キナーゼを用いて重み付きアンサンブル法の計算も始めた。
|
| Causes of Carryover |
計算機の機種や販売業者を変更したために、購入までに時間がかかってしまい、次年度使用することとなった。
|
