2019 Fiscal Year Research-status Report
Searching the bottleneck of enzymatic reactions: Reaction path sampling calculation accompanied with experiment
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17KT0101
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| Research Institution | Nippon Medical School |
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Principal Investigator |
藤崎 弘士 日本医科大学, 医学部, 教授 (60573243)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
楯 真一 広島大学, 統合生命科学研究科(理), 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)
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| Project Period (FY) |
2017-07-18 – 2021-03-31
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| Keywords | 酵素反応 / パスサンプリング / 反応経路 / レアイベント |
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| 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している。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。酵素反応においては基質分子が別の分子に転換されるが、その際は酵素と基質の相互作用によってその反応は加速されるのが常である。この加速の機構は反応の自由エネルギー障壁が低くなるもの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、遷移状態を実験的にも理論的にもとらえることが難しいために、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で、かつ「動的に」捉えるための計算手法を開発し、それをいくつかの酵素に個別に適用する。
ここでは酵素反応を分子動力学法を用いてシミュレートするために、重み付きアンサンブル法という新規な手法を用いる。これは超並列に計算を流すことで酵素反応のような自由エネルギーの山を越える現象を効率的にシミュレートする手法であり、通常の熱力学的なサンプリング手法と異なり、動的な情報も得ることができるのが特色である。これまで小さなペプチドに用いた結果を出版したが、その知見や共同研究者の経験を生かして、現在はPIN1酵素とアデニル酸キナーゼへの適用を行っている。PIN1酵素に対しては異性化反応における水素結合の組み替えを動的に特徴づけることができ、現在論文にまとめている。またアデニル酸キナーゼに対しても、PIN1と比べてより大きな構造変化を動的にシミュレートすることが可能であることが分かり、現在は水素結合の組み替えの動的な解析を行っている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
PIN1酵素に関しては、実験とのすり合わせを考えることに時間を使っていたが、共同研究者の楯教授との議論から論文化の目途が立った。またアデニル酸キナーゼに関しては、予備的な計算はうまく行くことが分かったが、初期構造に関してまだ不十分な点があるので、それを現在調査している。その結果、論文化が遅れている。QM/MM計算に関しても、amberを用いた計算を始めたところであるが、まだダイナミクスまでは至っていない。
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| Strategy for Future Research Activity |
新型コロナウィルスのために、直接対面して議論することが難しいが、Skype や zoom などを使って共同研究者と議論していくことを考えている。また、PIN1とアデニル酸キナーゼの論文化を終了した後に、重み付きアンサンブル法の改良やその機械学習（人工知能）との結合についても研究を進めていくことを考えている。
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| Causes of Carryover |
研究分担者を途中から加え研究を推進しているが、論文化のプロセスが遅くなり、議論や打ち合わせなどにさらなる期間を要することとなった。
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