IV-1生命機能情報分
． ン
教 男
．概要
生 機能情報 生体 要 働 い 蛋 質 酸等 注目
特異的機能 理論的 解明 目的 い 一酸 窒素還元酵 素 DNA 注目 精 計算手法(QM/MM) 用い 特
異的 効率的 学 応 初 明 Ｌ型 酸生 過 や異
常型 ン蛋 質 立体構造 測研究 い 幾 要 結果 得
理論解明 膨大 計算 必要 あ 用い い 並列性能 い計算
扱う 困 あ 並列環境 適 計算
整備 ン (T2K-Tsukuba等) 活用 結果 出
計算速 向 計算 子動力学法 第一原理計算法
GPU 対応 必須 HPC 連携 ン 行い
開 調査 行
．研究成果
一酸 窒素還元酵素(NOR) 応機構 理論的研究
一酸 窒素還元酵素(NOR) 一酸 窒素(NO) 亜酸 窒素(N2O) 変換 応 2NO + 2 e- + 2 H+ -> N2O + H2O 触媒 微生物 嫌気 経路 担 い 生 物 N2O 大 気中 散 強力 地球温 CO2 300倍 働 NOR 多
注目 い NOR 膜蛋 質 あ 結晶 困 立体構造 明 あ 2010 初 X線結晶構造解析 鉄 (FeB, Feb3) 構 活性中心構造 持
明 (Fig.1) 求 構造 休 状態(酸 状態) あ 活性中心
質 NO 入 空間 無 応機構 々 Ｘ線構造
NOR 応機構 い 理論的解明 行 QM/MM法 適用 応中心 精 第一 原理計算法(Broken-symmetry DFT: QM) 周 蛋 質 子動力学法(MM) 扱
NO N2O 生 各 応 い 中間状態 遤移状態 索 行
(1) 休 状態(NO 結 い い状態)
(2) 質結 状態(NO 1 子結 状態) FeB, Feb3 NO N O
配 能 あ 計 状態 求 N配 う 配 あ
FeB Feb3 配 方 あ
(3) 質結 状態 NO 子結 状態
NO 子 結 状態 結 様式 考え cis-Feb3形式 最 あ
初 NO 部 的 還元 い い 応 壁 N-N結
形 行え
(4) NO結 乖 過程
最 い 壁 持 段 あ 鉄中心 FeB(IV)=O, Feb3(II) 中間体
Glu211 FeB 配 hyponitrite中間体 過 防い い
Glu211 保 酸 あ 応機構 極 要 役目 持
い
(5) N2O脱 過程
N2O 脱 Feb3 ン状態 low-spin high-spin状態 変 過程 N2O 乖
い
応 電子状態 応途中 変 確 電子状態 求 確
応機構解明 必須 あ 各中間状態や遤移状態 索 多 計算 必要
T2K-TsukubaやHECToR等 ン 利用 NOR
N2O 生 解明 (1)環境学的 要性 (2)生物学的 要性 (3) 学的 要性 (4)
療 応用 対 極 要 あ 大 ン 波 効果 え
期 現 論文 投稿準備中 あ
Fig.1. NOR 全体構造 活性中心構造
DNA II DNA再結 応 理論的解明
DNA 細胞 高 納 い DNA 転写や複製
DNA鎖 問題 DNA 解消 い DNA
生 酵素 あ 生物質や 剤 対 力
標的 あ 現 盛 創薬研究 い 触媒 DNA 敦
再結 あ 子 触媒機構 い 解明 い い 研究
Feb3
FeB
Glu211
応阻害 最 要 い 再結 過程 注目 DNA II(DNA-topo II) DNA再
結 応 QM/MM法 理論的 解明 (Fig.2)
々 (1)金属 ン 役割 (2)水 保存 酸残基 求 剤活性 明
DNA-topo 保存 酸残基 役目 説明 初 知見 あ
結果 後新 阻害剤 開発 い 非常 益 指針 う 研究 花岡恭 君 主 研究 進 現 論文 投稿準備中 あ
Fig.2. DNA-topoII 全体構造 活性中心構造
原始 陽系 型 酸過剰 い 理論的研究
地球 生 構 い 酸 鏡像異性体 あ L型 D型 いう鏡 わ
立体構造 持 実験室中 学 L型 D型 等 生 拘 生 100% L型 形 い 矛盾 説明 仮説 酸 起源 地球 外 来 いう説 あ 空間中 偏 生 L型 D型 う 一方
酸 例えば 型 酸 選択的 破壊 L 型 酸 存 比 多 現 L 型 酸世界 形 いう説 あ (Fig.3) 々 説 理論的 検証 (1) う
偏 酸 崩壊 (2) う 崩壊経路 存 い 研究 行
結果 紫外領域 い 強い 持 CA-AB 結 経路 存 石中
存 確 い ン ン 共通 性質 あ 研究 藤皓允
主 研究 進 梅村 之 生 矢花一浩 生 石賢 生 神谷克攢 生 協 研究体 制
DNA1 DNA-1
MgA
MgB
Tyr782
Fig.3 型 酸生
異常型 ン蛋 質 立体構造予測
ン 哺乳類 発見 ン 質性 感染因子 あ 常 立体構造 異 立体構造 ン 質( ン) 常型 ン 質 々 異常型 転換 凝 い
線維 ば 線維構造 形 (Fig.4) 線維 生体 蓄積 細胞死 引 起 様々 神経性疾患 引 金 日 2001 牛 狂牛病感染 確 人 伝染
能性 指摘 社会的 大 衝撃 感染機構や異常型 ン
質 立体構造 子 明 い い 生物 学 物理 医学 大 ン 領域 学的解明 期待 い 研究 生物学的研究 最 進
い 酵 ンSup35 注目 知 立体構造 計算機 ン 再現
立体構造変 や感染機構 理論的 明 試 第一歩 実験的
唱 い あ 熱力学的 性 検討 行 室温 1μs
子動力学 ン 行 特 的 構造 所々 壊 構造
繰 返 ン 現 部 構造 保 必須 あ 考え
構造 繰 返 ン HET-s ば 他 ン い HET-s 研究 得 ン 非常 類似性 高い 研究 近 藤大生君 主 研究 進 東 大 英樹 生 間繁子 生 神谷克攢 生 協 研 究体制
Fig. 4 ン蛋 質 形 1μs MD ン結果
ン 利用 い
々 QM/MM計算 2006 版 GAMESS 基 開発 用い い (1)
DFT 計算 遅い (2)対応 汎関数 限 い (3)並列 効率 悪い(<64 core) いう問題 あ 高並列 大幅 改良 行う 考え 調査 結果 NWChem
用い 効率 大規模並列環境( ン ) 対応 研究
必要 作 研究環境 整備 T2K-Tsukuba い 512core 効
率 動作 確 (Fig.5) 一万軌遈 SCF計算 行え 残基 蛋 質
第一原理計算 ン 測 明 昨 東日 大震災
T2K-Tsukuba 停 研究 中敦 ン 大学EPCC HECToR 利用 頂
々 NOR DNA-TopoII 理論解析 大い 活用 頂 研究 行う
心 感謝 意 表
Fig5. T2K-Tsukuba DFT ン 計算
GPGPU 計算 速
生 学研究 短期間 問題解明や ン 計
算 高速 大規模 対応 い 一方 近 計算機環境 目覚 発展 い CPU 単体 演算性能向 見込 い段階 遉 現 超並列や 並列計算 計 算 高速 行う段階 入 い 中 GPU 用い 計算機 消 電力や計算機
非常 大 い 々 QM/MM計算 GPU環境 行う 新 生 学研 究領域 開拓 試 い
QM/MM計算 い ( 子力学) 計算 あ QM計算 ン 詳細
行い 電子積 ン 最 い 組 込 い
CPU 電子積 非常 煩雑 あ GPU対応 非常 い 改良 行い や い ン 電子積 ン GPU対応 試 い 研究 藤 久 主 研究 進 朴泰 生 敏博 生 梅 宏明 生 協 研究体制
．研究業績 研究論文
．M. Shoji, K. Hanaoka, A. Sato, D. Kondo, M. Yang, K. Kamiya, K. Shiraishi, Calculation of the Electron Transfer Coupling Matrix Element in Diabatic Reactions, Int. J.
Quantum Chem., accepted(2012). DOI: 10.1002/qua.24074
2. K. Yamaguchi, H. Isobe, S. Yamanaka, T. Saito, K. Kanda, M. Shoji, Y. Umena, K. Kawakami, J.-R. Shen, N. Kamiya and M. Okumura, Full geometry optimizations of the mixed-valence CaMn4O4X(H2O)4 (X=OH or O) cluster in OEC of PS II: Degree of symmetry breaking of the labile Mn-X-Mn bond revealed by several hybrid DFT calculations, Int. J. Quantum Chem., 13 APR 2012, DOI: 10.1002/qua.24117
3. T. Saito, M. Shoji, K. Kanda, H. Isobe, S. Yamanaka, Y. Kitagawa, S. Yamada, T. Kawakami, M. Okumura, K. Yamaguchi, Theory of chemical bonds in metalloenzymes. XVII. Symmetry breaking in manganese cluster structures and chameleonic mechanisms for the OO bond
formation of water splitting reaction, Int. J. Quantum Chem., 112, 121-135 (2012).
4. T. Saito, S. Yamanaka, K. Kanda, H. Isobe, Y. Takano, Y. Shigeta, Y. Umena, K. Kawakami, J.-R. Shen, N. Kamiya, M. Okumura, M. Shoji, Y. Yoshioka and K. Yamaguchi, Possible mechanisms of water splitting reaction based on proton and electron release pathways revealed for CaMn4O5 cluster of PSII refined to 1.9 A X-ray resolution, Int. J. Quantum
Chem., 112, 253-276 (2012).
学会発表
<口頭発表>
. 佐藤皓允、庄司光男、神谷克政、梅 雅之、矢花一浩、白石賢 、星間空間に け Ｌ型
ノ酸過剰の理論的研究, 文学会春季 会、2012/03/22.
2. Mitsuo Shoji, Computational Bioscience Utilizing Supercomputers: Performance and Applications, LBNL and CCS-Tsukuba Joint Workshop, CCS, University of Tsukuba, 2012/3/19.
3. Mitsuo Shoji, QM/MM Studies on the reaction mechanisms in metalloenzymes, Exascale Symposium, The University of Edinburgh, 2012/2/23.
4. 佐藤 皓允, 庄司光男、神谷克政、梅 雅之、矢花一浩、白石賢 、星間空間に け ノ
酸 生成機構の理論的研究,ALMAワ ョッ , 2012/01/21.
5. K. Hanaoka, D. Kondo, M. Yang, K. Kamiya, M. Shoji, K. Shiraishi, Theoretical investigation for mechanism of DNA religation by E.coli topoisomerase IA,第84回日
本生 学会大会、国立京都国際会館, 2011/09/23.