生命物理 プ

－55 －

－56 －

質 生体機能 子 場 ＊ 巨大 あ ＊ 学 応＆酵素 応や電 子 移動 ＇ 確 解析 ＊大規模 計算 必要 ＊生体 子 以 う

領域 計算 方法＆ ／＇ ＊現 ＊国 的 非常 注目 い わ ＊ 電子構造 含 学 応 扱う 子力学＆ ＇計算部 ８非常 大 計算 ＊ 領域

学 応 直接 関係 い領域 適用 理論＆ ＇計算部 ８比較的 計算

＊広い領域

＊ 子動力学＆ ＇計算 組 わ 用い ＊ 子構造 電子構

造 旓 解析 研究 推逭 ＊ 部 用い 多

＊ 全電子ab initio 計算 用い 解析 ＊＆目的 応 使い ＇

主流 形 い あ う ＊計算 利 超え ＊ 計算精 追 理

あ

  FQM FMM

F r  

 ^r

r F

dt Md 2 

2

         ²

2 ,

2 _^{  }



  

n n n n

nQM

n f

m V  r   r r  r



  ^QM

QM E

F r 

 ^ ^ ^







 

ij iM iM

M

i i

ij QM i

r q R

Z Z r Z H r

 





 

1 

2 1 2





 ^{  }

   M M

M atoms

j

i ij

ij

ij ij atoms

j

i ij

j i

R q Z R

B R

A R

q q

 

 ^{12 6} 

        

 ^{     }



dihedrals n angles

req bonds

req r

MM V n

K r r K

E   1 cos  

2

2 2

  ^MM

MM E

F r 

Merging of the forces

QM(n) QM(e) MM

MM’

QM(n) QM(e) MM

MM’

Deletion of bonded and non-bonded interactions between QM atoms.

Switching of charges of QM atoms.

Force

Gamess Introduction of one electron integral term with respect to MM atoms

Amber Integration

Update of coordinates Amber

Making consistency between the two programs

Gamess… QM calculation (all electron based HF/DFT hybrid method) Amber … MM & MD calculation

  FQM FMM

F r  

 ^r

r F

dt Md 2 

2

         ²

2 ,

2 _^{  }



  

n n n n

nQM

n f

m V  r   r r  r



  ^QM

QM E

F r 

 ^ ^ ^







 

ij iM iM

M

i i

ij QM i

r q R

Z Z r Z H r

 





 

1 

2 1 2

         ²

2 ,

2 _^{  }



  

n n n n

nQM

n f

m V  r   r r  r



  ^QM

QM E

F r 

 ^ ^ ^







 

ij iM iM

M

i i

ij QM i

r q R

Z Z r Z H r

 





 

1 

2 1 2





 ^{  }

   M M

M atoms

j

i ij

ij

ij ij atoms

j

i ij

j i

R q Z R

B R

A R

q q

 

 ^{12 6} 

        

 ^{     }



dihedrals n angles

req bonds

req r

MM V n

K r r K

E   1 cos  

2

2 2

  ^MM

MM E

F r 





 ^{  }

   M M

M atoms

j

i ij

ij

ij ij atoms

j

i ij

j i

R q Z R

B R

A R

q q

 

 ^{12 6} 

        

 ^{     }



dihedrals n angles

req bonds

req r

MM V n

K r r K

E   1 cos  

2

2 2

  ^MM

MM E

F r 

Merging of the forces

QM(n) QM(e) QM(n) QM(e) MM

MM

MM’

MM’

QM(n) QM(e) QM(n) QM(e) MM

MM

MM’

MM’

Deletion of bonded and non-bonded interactions between QM atoms.

Switching of charges of QM atoms.

Force

Gamess Introduction of one electron integral term with respect to MM atoms

Amber Integration

Update of coordinates Amber

Making consistency between the two programs

Gamess… QM calculation (all electron based HF/DFT hybrid method) Amber … MM & MD calculation

ッ ンタ ロ の役割

＊ 者 全電子ab initio 計算 組 わ

＊生体 応機構 細 精 解析 目的 い ＊現 端 計算技術 いえ あ ＊ 解析手法 応用 ＊ 生物物理学理論 展 鍵 握 い いえ ＊前

述 う ＊ 技術開 旓 あ 意味

う 全電子ab initio 計算 組 わ ＊ 計算 生物物理学 応用

研究 ＊国 的 端 果 あ 中 以 特 要 あ ＊ 子

－57 －

質酵素 巨大 複 体 行う酵素 応機構 解析 あ 実現 ＊

計算 ＊十 ＊ 子 実行

＊ 精 計算 あ 一方 ＊ 線結晶構造解析 実験的 得 生体 子 立体構造 ＊ 応 必須 子種 関 情報 如 い 場 や＊技術的 制限 立

体構造 誤謬 含 場 え あ あ ＊前述 精 実

行 ＊ 技術的 問題 克服 必須 あ 場 甚 多い

例えば＊水 子自体 応 寄 系 ＊溶媒水 子 置 実験的 観測 い場 ＊ 配 置情報 理論的 予測 必須 ＊触媒 応 象 子＆ 質 ば ＇ 酵素 混 場 ＊実 応 生 わ あ ＊酵素 質複 体 結晶 実験的 得 原則的

い 仮 質 含 結晶 何 方法 得 ＆酵素 体 結晶 作

＊ 質 子 結晶 ば ＇＊結晶 部 酵素 応等 実験

質 深刻 場 多い ＊ 応 象 質 酵素 複 体 立体構造 得

＊多 場 困 ＆ 来 質 代わ ＊ 応 起 結 生 阻害 使用 ＊結晶構造解析 行う場 非常 多い＇

０ 計算 象 質複 体 立体構造

＆ ＇ 酵素＆ ＇ ＊ 質 作用 ＊ 結

酸＆ ＇ 立体構造 溶媒水 子等 含 ＊全体 個 原子 系 あ ＆

＇ 活性部 大 周 ＊溶媒水 子等 存

う 生体 子 応機構 解明 ＊実験 様々 技術的限界 ＊現 数多 存 実情 あ 研究 ＊生 学的 要 系 あ ＊ う 実験的 技術

困 回避 い系 ＊ 限界 理論的 補い＊生体 子 立体構造 計算 学

的 精 再構築 理論手法 開 試 昨 い ＊ 質 酵素

－58 －

子間 新 開 ＊ 用い 研究 象 複 体 計算 構築

＆ ０９ 述＇

従来 子 計算 ＊溶媒水 子 含 ＊ 酵素 立体構造

固 計算 通常 あ ＊ 々 制 解 攡 ＊溶媒中 質

＊ 立体構造変 入 ＊ 子 初 実現 ＆

＇法 ＆昨 報参照＇ う 計算手法 ＊ 薬 子設計 領域

削 開 行わ い 課題 あ ＊ う ＊ 研究 子

い ＊広 応用 期 ＊ 要 解析手法 あ

以 う 構築 精密 計算 ＊ 酵素＆ ＇ ＊ 質 作用

＊ 結 酸 ＆ ０参照＇ ＆ 子 ＇ ＊

＆ 子 ＇ 複 体 形 ＊ 来 端 特 酸 子 確 結 生物

機能 酵素 あ ＊互い 似 酸 子 識 ＊ 識 誤 場 あ ＊

自身 校 ＆；誤 酸 子 水 解 ＇機能 い 校

応＆ 応８ ＇ ば ＊あ 生物 い 遺伝情報 現 わ ＊

質 生 ＊極 要 応 あ

＊ 校 応＆ 応＇ 機構 解明 ＊前 計算 ＆原

子数 個＇ ＊ 計算 実行 研究 ＊考え得 応

い ＊ 計算 実行 ＊ 応 応経路 解析

酵素 応機構 解析 ＊用い 初期構造 十 検討 適 応 標 設 ＊非常 要

あ 以 解析 結果＊ 壁 い 適 応 見出 応経路＆ １＇ 特

＊ 質部 ＆ ＇

＆ ＇ ＊求 活性 あ ＆ ０＇ わ ＊ 自身 応 動 意味

応 ＊誤 酸 結 ＆ ＇ ＊触媒機能

わ あ 意味

＊ 独 酵素 応 行うわ い 応 開始＊ 求

炭素 接近 ＊保存 酸 あ ＊求 通 遈 開 役割 い

明 わ ＊ 応 ＊ 質 借 活

性 向 い いえ 応 ＊遤移状態 ＊

酸 関 い わ う ＊ 複 体 応

＊ 質 共 作用 触媒 応 あ 明

様々 見 ＊ 応 幾 類 い 研

究 い 見出 ＊ 水 子 求 作用 ＊ 質 応

直接 手 い ＊従来 異 示唆 ＊ 実験結果

－59 －

統 ＊ 研究 い 見出 新 ＊ 留 ＊

酵素 あ ＊ ＊ ＊ ＊複数 酵素 含 明

１ 応 面＆ ＇

う 触媒 存 ＊ 生 起源 や 遺伝 起源 新 考え方

あ わ ＊ 生 起源 考え い ワ ＆ 生体触媒 機能 担う＇ ＊ 現 ワ ＆主 質 生体触媒 機能 担う＇ 変遤 考え 場 ＊ 原始

生体 子 機能構造や 応機構 間 ＊大 あ ＊従来 大 問題 あ 触媒 ＊ 溝 埋 ＊ 連 的 統 的 生 逭 理論 構築 ＊ 役割 果 考え

０ 生体 電子系 精密 効 場 創出 応用 [文献 ]

生体 い 電子 ＊芳香環 酸や 補因子等 広 見 ＊生

物機能 極 要 役割 果 い 質 立体構造 い ＊ ＆ ＇や

＆ ＇ 荷電 酸 ＊ ＆ ＇や ＆ ＇ ＊芳香環 酸 相

互作用 繁 相互作用 ば ＊ 非共 結 性相互作用

ワ 相互作用や水素結 ＊疎水性相互作用 比 極 強 ＊ 子 識や立体構造 大

寄 い 知 い

生体 多 存 金属 あ や ＊芳香環 酸 相互

作用 形 ＊ 酸 士 比 非常 大 い ＊ 子

物 い 見出 結 様式 あ ＊実 生体 子立体構造 中 ＊金属 複

体 存 明 例 ＊従来＊極 少 ＊ 生物機能 役割 い

＊ 明 あ

－60 － 3.3 Å

２ 活性部 存 複 体

立体構造 ＊大阪大学 ＊ 線結晶構造解析 解析 ＊ 結果 案 あ ＆ ＇＊ 代わ ＊水 子 あ 能性 完全 否

近＊ ＆大阪大学＇ 行 ＆脂質 解作用 ＇ 線結晶構造解析 結果＊

活性部 構 酸 あ 近傍 ＊球状 電子密 存

明 ＊ 電子密 相当 考え＊ 活性部 側

鎖 相互作用 存 案 ＆ ２＇ 実験手法 限界 ＊ 電子密 水 子 あ 能性 否 い 実情 あ 研究 ＊ 子動力学 計算

＊ 電子密 実体 何 あ い 解析

＊ 計算 一般 用い い 関数＆ ＇ 評価 行 比較参照値 ＊極 精 子力学計算法 あ 法 ＊

底関数 因 誤差 補 ＊ 完備 底関数 構 計算 場 値

見積 得 値 用 結果＊ ＊ 結 比

較参照値 全 再現 得 い わ 特 ＊ 値 半

程 無 ＆ ３ 参照＇ 実 ＊ う 関数 用い 計算 実行 ＊ 複 体 立体構造 ＊ い 立体構造自体 壊 結果 う ＊

場 い ＊実験構造 全 再現

＊ 問題 真 解決 効 計算 開 試 研究 ＊芳

香環近傍 空間 割 ＊原子 置 中心 関数 用い ＊各原子 え 電

子 密 関数 義 ＊ 静電 求 ＊全 法

曲線 適 開 用い 関数 構

＊ 法 等 計算精 ＊ 必要 計算旓間 い

－61 －

＊ 求 わ ＆ ４＇ 計算法 ＆ ＇法

付

‐25.0 

‐20.0 

‐15.0 

‐10.0 

‐5.0  0.0  5.0 

1.5  2.0  2.5  3.0  3.5  4.0 

distance; r₁(Å)

‐25.0 

‐20.0 

‐15.0 

‐10.0 

‐5.0  0.0  5.0 

0.0  2.0  4.0  6.0  8.0 

distance; r₂(Å)

interaction energy (kcal/mol)

３ 様々 計算手法 ＊ 複 体 場

赤 得 完備 底関数 構 計算 場

値 見積 得 あ ＆いわば 解＇ 曲線 ＊ ＆青＇＊ ＆緑＇＊

＆ ＇ 計算 あ ＊い 計算結果 十 一 い

‐25.0 

‐20.0 

‐15.0 

‐10.0 

‐5.0  0.0  5.0 

1.75  2.25  2.75  3.25  3.75 

‐25.0 

‐20.0 

‐15.0 

‐10.0 

‐5.0  0.0  5.0 

0.0  2.0  4.0  6.0  8.0 

energy (kcal/mol) distance: r₂(Å)distance: r₁(Å)

energy (kcal/mol)

４ ＆ ＇法 得 ＆緑＇

青 計算結果

法 用い 計算＆ ＇ ＊ 相互作用様式 保持 ＊ 活性部 立

体構造 ＊実験構造 再現 ＊ 複 体 役割 ＊ 非常

大 い 利得 ＊活性部 立体構造 寄 明 ＊

結 い ＊ 旓 ＆ ＇や ＆ ＇ 結 い 疎水性 酸

あ ＊ 親水性 酸 あ 一般 ＊ う 性質 全 異 酸 士

相互作用 形 い ＊ 性質 異 酸 う 仲立

＊通常 実現 能 ＊疎水的 酸 親水的 酸 ＊極 質 構

造 形 能 い 明 研究 ＊ 付

＊ 用い 計算 明 う ＊ 間 い ＊ 結

保持 い ＊ 結 弱い 水 結 保持 い 示唆 い

－62 －

実 ＊水 結 仮 計算 い ＊実験構造 確 再現 い 明

＊ 線結晶構造解析 得 ＊ 近傍 球状 電子密 ＊水 子 あ 得 い う ＊

活性部 電子密 実体 あ ＊ 結 質 構造

形 役割 明

以 ＊ 果 ＊ 子場 場 方 原理 解析 適確 組 わ 用い

＊巨大 生体情報 子 生物機能 ＊非常 要 複数 系 い 解明

＊ う 方向性 飛躍的 展 ＊新 い生物物理学 開 要 あ

4. 研 究 業 績

研究論文

1. Yohsuke Hagiwara, Osamu Nureki, and Masaru Tateno: Identification of the nucleophilic factors and the productive complex for the editing reaction by leucyl-tRNA synthetase: FEBS Letters, 583 (2009), 1901-08.

(Cover)

2. Mauro Boero, Jiyoung Kang, Shin Tokumoto, and Masaru Tateno: A First-Principle Exploration of Heme a and Heme a3 of the Bovine Cytochrome c Oxidase in Reduced and Oxidized Charge States: J. Comp. Theor.

Nanosci., 6 (2009), 2640-47.

3. Takehiro Ohta, Yohsuke Hagiwara, Jiyoung Kang, Keigo Nishikawa, Tetsunori Yamamoto, Hidemi Nagao, and Masaru Tateno: Evaluation of Electronic and Geometrical Properties of the Blue Copper Site in Fully Solvated Azurin by QM/MM Hybrid Calculations Using a New Interface Program Connecting QM and MM Engine: J. Comp. Theor. Nanosci., 6 (2009), 2648-55. (Cover Image)

4. Yohsuke Hagiwara, Hiroyoshi Matsumura, and Masaru Tateno: Functional roles of a structural element involving Na⁺– interactions in the catalytic site of T1 lipase revealed by molecular dynamics simulations: J.

Am. Chem. Soc., 131 (2009), 16697-705.

5. Yohsuke Hagiwara, Martin J. Field, Osamu Nureki, and Masaru Tateno: Editing mechanism of

aminoacyl-tRNA synthetases operates by a hybrid ribozyme/protein catalyst: J. Am. Chem. Soc., 132 (2010), 2751-58.

6. Yohsuke Hagiwara, Hiori Kino, and Masaru Tateno: Modulation of electronic structures of bases through DNA recognition of protein: J. Phys.: Cond. Mat., 22 (2010), 152101. (Selected as “IOP select”: Featured Article)

－63 －

7. Yohsuke Hagiwara and Masaru Tateno: Recent advances in jointed quantum mechanics and molecular mechanics calculations of biological macromolecules: schemes and applications coupled to ab initio calculations: J. Phys.: Cond. Mat., in press.

8. Mauro Boero and Masaru Tateno: Quantum-theoretical approaches to proteins and nucleic acids: in The Oxford Handbook of Nanoscience and Technology, Volume I: Basic Aspects (2010), pp.549-98.

2 学会発表 主た の

招 講演等

1. Masaru Tateno. Exploration of Mechanisms of Proton Transfer in Cytochrome c Oxidase Using First Principles Molecular Dynamics, International Workshop on Metalloprotein Functions, 2009 7 31日 -8 1日, 兵庫.

2. Masaru Tateno. Computational investigations of mechanisms of enzymatic reactions of RNA-binding proteins, 47th Annual Meeting of Biophysical Society of Japan, 2009 10 30日-11 1日, 島.

3. Masaru Tateno. 生体超 子 生物機能 現機構 理論的解析, 特 領域研究 生体超 子

構造 第４回 開 , 2009 12 1日-12 2日, 大阪府.

国 会議等

1. Yohsuke Hagiwara, Hiroyoshi Matsumura, Masaru Tateno. Functional roles of a novel structural element involving the Na⁺-π interaction present in the catalytic site of T1 lipase revealed by molecular dynamics simulations, Biophysical Society 54-th annual meeting, 2010 2 20日-24日, San Francisco, California 2. Yohsuke Hagiwara, Hiroyoshi Matsumura, Masaru Tateno. Development and applications of a novel

QM/MM hybrid molecular dynamics calculation system on highly parallel supercomputer systems, Biophysical Society 54-th annual meeting, 2010 2 20日-24日, San Francisco, California

3. Mauro Boero, Jiyoung Kang, and Masaru Tateno. Electronic and geometrical structures of hemes a/a3 of the bovine cytochrome c oxidase in the fully-reduced and oxidized states revealed by ab initio calculations, Biophysical Society 54-th annual meeting, 2010 2 20日-24日, San Francisco, California

4. Sundaram Arulmozhiraja, Yohsuke Hagiwara, Takao Ohno, and Masaru Tateno. Theoretical identification of structural elements for stabilizing a cavity present in the entrails of the human aryl hydrocarbon receptor

－64 －

dioxin binding domain, Biophysical Society 54-th annual meeting, 2010 2 20日-24日, San Francisco, California

5. Mauro Boero, Jiyoung Kang, and Masaru Tateno. Computational analysis of electronic structures of heme a / a3 of the bovine cyctochrome c oxidase in the reduced and oxidized states, 47th Annual Meeting of Biophysical Society of Japan, 2009 10 30日-11 1日, 島.

6. Keisuke Matsumoto, Riki Nakamura, Taku Mizukami, Hiroaki Saitou, Masaru Tateno, Kiyoshi Nishikawa, and Hidemi Nagao. Molecular dynamics study on thermodynamical stability of Oxidized Azurin − Reduced Cytochrome c₅₅₁ complex, 47th Annual Meeting of Biophysical Society of Japan, 2009 10 30日-11

1日, 島.

7. Riki Nakamura, Keisuke Matsumoto, Hiroaki Saitou, Taku Mizukami, Masaru Tateno, Kiyoshi Nishikawa, and Hidemi Nagao. Stability of Azurin(II) − Cytochrome(II) Complex: An effect of Change of Hydration Structure, 47th Annual Meeting of Biophysical Society of Japan, 2009 10 30日-11 1日, 島. 8. Mauro Boero, Jiyoung Kang, Yohsuke Hagiwara, and Masaru Tateno. Computational analysis of

interactions between the heme systems and the bovine cytochrome c oxidase in the reduced and oxidized states, 47th Annual Meeting of Biophysical Society of Japan, 2009 10 21日-24日, 島. 9. Shigehide Kuroyanagi, Yohsuke Hagiwara, and Masaru Tateno. Novel channel of glutamine

amidotransferase CAB for ammonia transport revealed by molecular dynamics simulations, 47th Annual Meeting of Biophysical Society of Japan, 2009 10 30日-11 1日, 島.

10. Sundaram Arulmozhiraja, Yohsuke Hagiwara, Takao Ohno, and Masaru Tateno. Structural modeling and dynamical properties of human aryl-hydrocarbon receptor dioxin binding domain, 47th Annual Meeting of Biophysical Society of Japan, 2009 10 30日-11 1日, 島.

11. Yohsuke Hagiwara, Osamu Nureki, and Masaru Tateno. Computational analyses of expression mechanisms of enzymatic functions in leucyl-tRNA synthetase, 47th Annual Meeting of Biophysical Society of Japan, 2009 10 30日-11 1日, 島.

12. Tatsunnori Nishimura, and Masaru Tateno. A novel theoretical scheme to describe stimulus/response relationships of biochemical reaction networks, 47th Annual Meeting of Biophysical Society of Japan, 2009 10 30日-11 1日, 島.

国 学会等

－65 －

1. Shigehide Kuroyanagi, Yohsuke Hagiwara, and Masaru Tateno. Computational analyses of ammonia transport mechanisms in GatCAB, 第82回日 生 学会大会, 2009 10 21日-24日, 神戸. 2. Yohsuke Hagiwara, Osamu Nureki, and Masaru Tateno. Computational analyses of enzymatic reaction

mechanisms in leucyl-tRNA synthetase, 第82回日 生 学会大会, 2009 10 21日-24日, 神戸. 3. Sundaram Arulmozhiraja, Yohsuke Hagiwara, Takao Ohno, and Masaru Tateno. Structural modeling and dynamical properties of human aryl-hydrocarbon receptor dioxin binding domain, 第82回日 生 学会 大会, 2009 10 21日-24日, 神戸.

4. Tatsunnori Nishimura, and Masaru Tateno. Computational analyses of the MAPK signaling cascade exploiting a novel scheme to describe the steady state of biochemical reaction networks, 第82回日 生 学会大会, 2009 10 21日-24日, 神戸.

5. Yohsuke Hagiwara, Osamu Nureki, and Masaru Tateno. Theoretical analyses of enzymatic reaction mechanisms in leucyl-tRNA synthetase, 第32回日 子生物学会 会, 2009 12 9日-12日, 浜 6. Shigehide Kuroyanagi, Yohsuke Hagiwara, and Masaru Tateno. Unidirectional valved mechanism of

ammonia transport in GatCAB, 第32回日 子生物学会 会, 2009 12 9日-12日, 浜 7. Sundaram Arulmozhiraja, Yohsuke Hagiwara, Takao Ohno, and Masaru Tateno. Structural modeling and

structural characterization of human aryl-hydrocarbon receptor dioxin binding domain, 第32回日 子 生物学会 会, 2009 12 9日-12日, 浜

8. Mauro Boero, Jiyoung Kang, and Masaru Tateno. Theoretical analysis of electronic and geometrical structures of hemes a/a3 modulated by the bovine cytochrome c oxidase in the reduced and oxidized states, 第32回日 子生物学会 会, 2009 12 9日-12日, 浜

9. Tatsunnori Nishimura, and Masaru Tateno. A novel computational scheme to optimize kinetic parameters based on experimental stimulus/response data of biochemical reaction networks, 第32回日 子生物学 会 会, 2009 12 9日-12日, 浜

3 その他の発表 2010 2

第１ 酵素 見！-- RNA 質 触媒 ---

毎日新聞＆全国版＇＊ 売新聞＆全国版＇＊朝日新聞＆全国版＇等＊多数 い 広 紹 学 http://www.tsukuba.ac.jp/public/press/100210press.pdf

ドキュメント内 つくばリポジトリ UTCCSreport h21 (ページ 57-68)