Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

蛋白質 / 構造アンサンブル / 分子力場 / 分子動力学シミュレーション / 蛋白質分子力場 / 水素結合

本研究課題は、申請者が開発してきた多点電荷原子モデルを導入した分子力場を電荷分布と共有結合項の両方に関して最適化を行うことで、水素結合を正しく取り扱い、かつ生体分子構造に関する実験データを再現できる分子力場を開発することを目的としている。分子力場を検証できる実験データとして最適なものは、蛋白質の構造アンサンブルに関する情報を与えてくれるものである。そのような実験手法としては溶液X戦散乱（SAXS）やNMRがあるが、それらが与える構造アンサンブルの情報は低分解能もしくは部分的といった特徴がある。そのため、分子力場を用いた分子動力学（MD）シミュレーションと実験データを比較する際には、情報科学的手法を用いて両者を連携させ、構造アンサンブルの正しい情報を与える手法が必要である。
本年度は、ベイズ統計を用いた実験と計算の統合手法を開発し、実験情報を再現できる構造アンサンブルをMDシミュレーションの結果から得られることを可能にした。本手法では、MD計算によって得られた構造アンサンブルモデルが実験データを説明できる確率（尤度）を定義し、その尤度を最小化する定式化から得られる自己無撞着方程式を解くことで、実験データを再現できる構造アンサンブルをMDシミュレーションの結果から得られることを可能にする。SAXSとMDの連携に適用し、アデニン酸キナーゼやトランスフェリンといったマルチドメイン蛋白質の構造アンサンブルを可視化できるか、モデル計算を用いて検証した。さらに実際の実験SAXSデータを用いて、構造アンサンブルが得られることも示した。

タンパク質水和 / 水和構造 / 分子動力学シミュレーション / 蛍光分光 / 和周波測定 / 非線形光学 / Ｘ線結晶構造解析 / 主成分分析 / 蛋白質水和構造 / 水和構造解析 / ドメイン運動 / 溶媒応答 / トリプトファン蛍光 / 分子動力学計算 / 水素結合 / 時間分解蛍光測定 / 和周波 / Ｘ線小角度散乱 / タンパク質 / 和周波分光 / X線小角散乱 / 溶媒応答関数 / 低温X線結晶構造解析 / 蛍光発光 / 蛋白質水和 / 悲線形光学現象 / 結晶構造解析 / 遺伝子組み換え / 溶媒応咎関数 / 溶媒和 / フェムト秒レーザー

生命活動の素過程を担うタンパク質分子は水環境において構造形成し機能する。何故水環境を必要とするのかを理解するには、タンパク質表面での水分子の運動をピコ秒時間分解能と原子分解能で探る必要がある。本研究では、タンパク質からの時間分解蛍光測定装置を開発しながら、特徴的なドメイン運動を行うタンパク質について、その運動の原因となっている水和構造変化を蛍光測定、結晶構造解析などの実験と大規模な分子動力学シミュレーションの両面から解析することを試みた。

氷タンパク質 / 分子動力学シミュレーション / 分子動力学専用計算機(MDGRADE=-2) / 核生成 / 水素結合 / 分子動力学 / 専用計算機 / 氷核生成 / 二次構造

氷核生成を活性化させる物質(過冷却解除剤)を用いた現象の理解のためには,氷核生成の微視的メカニズムの解明が必要である.本研究では,過冷却解除剤として氷核活性細菌に着目し,その細胞膜上にある氷核生成を促進する機能を持つタンパク質(ICE PROTEIN)の構造と核生成のメカニズムの関係を解明することを目的とする.
平成14年度は,氷タンパク質の機能を明らかにする目的から,タンパク質自身の2次構造の解析を分子動力学シミュレーションを用いて行った.平成15年度は氷生成のメカニズムを明らかにする目的から,氷タンパク質の機能を抽出したモデルの構築を行った.新たに構築したモデルを用いてT=300Kにて分子動力学シミュレーションを行った.氷タンパク質のモデルと水分子の間の水素結合について詳細に解析を行った.その結果,酸素原子と水分子が水素結合をするサイトに関しては,結合エネルギー・結合時間などの解析から十分妥当なモデルであることがわかった.しかし,水素原子と水分子が水素結合するサイトに関しては,結合状態が不十分であることがわかった.
そこで,氷タンパク質の機能を完全に抽出したモデルの構築は難しいと判断し,平成16年度はタンパク質のすべての原子をそのまま扱うモデルを採用し,周期境界条件下で計算を行った.周期境界条件下で計算するために,氷タンパク質の周期性を十分に調べ,シミュレーションを行った.水素結合の持続時間などの解析を行い,氷タンパク質の特徴を調べることができた.分子動力学シミュレーションには,分子動力学専用計算機MDGRAPE-2を用いた.MDGRAPE-2は分子動力学計算において最も時間のかかる力の計算を専用に行うチップとボードからなるものである。