2019 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical Study on molecular mechanisms of functional processes of biological molecules
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19H03195
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
林 重彦 京都大学, 理学研究科, 教授 (70402758)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | チャネルロドプシン / イオンポンプ / 分子シミュレーション / QM/MM 法 / MD シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
多くの機能性タンパク質は、複数の化学現象を相関させる機能共役性を有する。これらの顕著な性質は、タンパク質分子に特徴的な分子構造ダイナミクスに大きく関係していると考えられる。そこで、タンパク質の機能共役性を分子論的に理解するために、機能に関わる化学反応過程とタンパク質の大域的構造変化の相関を直接解析することが出来る独自の分子シミュレーションの手法である QM/MM RWFE-SCF 法を用いて、光遺伝学で用いられる光感受性イオン輸送体ホモログタンパク質やタンパク質酵素との比較を与えるリボザイムの酵素活性に関する理論的解析を行い、酵素の新機能開発に向けた原子レベルからの理解を得ることを目的とする。本年度は以下の成果を得た。
１．光感受性アニオンチャネル GtACR1 のイオン分布の解析 チャネルロドプシンの間のカチオン／アニオン間のイオン選択性の分子機構を明らかにするために、QM/MM RWFE-SCF 法を用いて自由エネルギー構造最適化を行うことにより、チャネル内のイオン分布を解析した。長時間の QM/MM 自由エネルギー構造最適化計算の結果、バルク溶液から細胞外側のチャネルに塩素イオンが侵入しチャネル内を広く動きまわることを明らかにした。
２．光駆動型アニオンポンプ NpHR の光活性化状態の解析 NpHR は光照射により塩素イオンを能動的に輸送するポンプである。その光活性化機構を明らかにするために、QM/MM RWFE-SCF 法を用いて中間状態のモデリングを行った。その結果、発色団分子の光異性化反応に伴い、発色団分子と結合していた塩素イオンが細胞外側に移動し、細胞外側チャネルの塩基性残基の側鎖に結合することを明らかにした。
３．ハンマーヘッドリボザイムの酵素反応機構 考えられる反応経路の複数の中間状態に対して QM/MM 自由エネルギー構造最適化計算を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
光感受性アニオンチャネル GtACR1 のイオン分布の解析や光駆動型アニオンポンプ NpHR の光活性化状態の解析では、これまでの理論的・実験的研究では知られていなかったチャネル内のイオンのダイナミクスを明らかにすることに成功している。これらの結果は、生化学・分光学・構造生物学などの実験的知見を良く説明しており、大きな進展が得られている。また、ハンマーヘッドリボザイムの酵素反応機構の解析では、系の構築が完成し、大まかな反応経路の特徴も明らかになりつつあるなど、順調に進展している。一方、当初予定の酵素ホモログ間の機能変換に関する理論的研究は、人的リソースの問題で若干進展が遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
光感受性アニオンチャネル GtACR1 に関しては、これまでの研究で暗状態及び初期中間状態におけるチャネルの特性が明らかになったため、それ以降の光活性化状態の探索に進むことにより、光感受性チャネル及びチャネル選択性に関する分子機構の解明が期待される。また NpHR についても、初期中間状態のモデリングが完了したため、次のイオン輸送の一方向性を決めている中間状態の探索に進むことにより、能動輸送の分子機構が明らかになると期待される。また、ハンマーヘッドリボザイムの酵素反応機構の解析では、今後の反応中間体の決定により、定性的な反応機構が明らかになり、更に反応律速段階の遷移状態を探索することにより、定量的な反応機構の理解が得られると期待される。
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Research Products
(12 results)
