研究課題 1QM/MM法による分光解析・反応機構解明

1. QM/MM法の開発とGENESISへの実装

QM/MM法は部分系を量子化学（QM）計算で扱い、周囲の環境を古典力場（MM）で扱うハイブリッド法です。QM/MM法を用いることで、生体分子系に対して、化学反応経路や分光スペクトルなどを計算することができます。私達はGENESISにQM/MM法を実装しました。GENESISと外部のQM計算プログラムが連携することで、QM/MM計算を実行します。GENESISのエネルギー計算ルーチンで、QM計算プログラム用のインプットファイルを生成し、実行した後、エネルギーや勾配など必要な情報をアウトプットから読み取ります。QM計算プログラムには、現在Gaussian, Q-Chem, DFTB+, TeraChemを使うことができます。MMに足りない要素をQM計算で補いながら、充分な構造サンプリングをできるQM/MM-MD法の開発を目指してます。

2. 生体分子の振動解析

生体分子では水素結合が重要な役割を果たしています。例えば、タンパク質の高次構造はアミノ酸残基の水素結合により形成されており、また、プロトン移動の多くは水素結合ネットワークを介して起こります。振動分光法は水素結合を鋭敏に検出できる有力な方法です。一方、観測される振動スペクトルの解釈が難しいため、これを支援する理論計算が求められています。振動計算はこれまで調和近似が用いられてきました。しかしながら、水素結合を作るOHやNH伸縮振動は非調和性が強いため、調和近似では十分な精度が得られませんでした。私たちは非調和性を考慮した振動擬縮退摂動法や、QM/MM法に基づく非調和振動解析法、MD計算による構造サンプリングを利用する手法を開発し、生体分子に対する応用計算を実施しています。

3. 酵素反応の反応機構解明

生体中では様々な化学反応が起こっています。例えば、酸素還元反応は生命活動のエネルギー供給源となっています。また、タンパク質をリン酸化・脱リン酸化することで、細胞内の状況に応じたタンパク質の活性調整が行われています。酵素はこれらの反応を進行させる触媒として作用しており、その分子機構を知ることは大変重要です。私たちは、QM/MM法に基づき、酵素反応の反応機構を計算する手法を開発しています。この方法を一酸化窒素還元酵素（NOR）へ応用しています。NORはNO分子を還元することでエネルギーを供給する酵素で、嫌気環境に生息する細菌に必須の酵素です。私達は、X線結晶構造解析とMD計算により、NO2–を還元しNOを生成する亜硝酸還元酵素(NiR)とNOを還元しN2Oを生成するNORが複合体を形成し、細胞毒性の高いNO分子が細胞中に拡散するのを防いでいることを明らかにしました。一方、NORによるNO還元反応の反応機構は未だに議論が続いています。私たちは、QM/MM法を用いて、その詳細を探っています。

参考文献

  1. “Anharmonic Vibrational Analysis of Biomolecules and Solvated Molecules Using Hybrid QM/MM Computations.” Kiyoshi Yagi, Kenta Yamada, Chigusa Kobayashi, and Yuji Sugita, J. Chem. Theory Comput, 3, 1924-1938 (2019).
  2. Dynamics of nitric oxide controlled by protein complex in bacterial system”, Erina Terasaka, Kenta Yamada, Po-Hung Wang, Kanta Hosokawa, Raika Yamagiwa, Kimi Matsumoto, Shoko Ishii, Takaharu Mori, Kiyoshi Yagi, Hitomi Sawai, Hiroyuki Arai, Hiroshi Sugimoto, Yuji Sugita, Yoshitsugu Shiro, and Takehiko Tosha., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 114, 9888–9893 (2017).
  3. “Weight-Averaged Anharmonic Vibrational Analysis of Hydration Structures of Polyamide 6”, Bo Thomsen, Tomonori Kawakami, Isamu Shigemoto, Yuji Sugita, and Kiyoshi Yagi., J. Phys. Chem. B, 121, 6050-6063 (2017).
  4. “Anharmonic Vibrational Analyses of Pentapeptide Conformations Explored with Enhanced Sampling Simulations”, Hiroki Otaki, Kiyoshi Yagi, Shun-ichi Ishiuchi, Masaaki Fujii, and Yuji Sugita., J. Phys. Chem. B, 120, 10199-10213 (2016).
  5. “A weight averaged approach for predicting amide vibrational bands of a sphingomyelin bilayer” Kiyoshi Yagi, Pai-Chi Li, Koichiro Shirota, Toshihide Kobayashi and Yuji Sugita, Phys. Chem. Chem. Phys., 17, 29113-29123 (2015).

共同研究者

城宜嗣（兵庫県立大）