平成19年度 計算科学研究センター研究報告
発行年
2008- 11
計算生命
准教授准教授 舘 賢
講師 育照 大学院生 ６
概要
当研究 生体機能高 子 要 生体反応 子 電子 解明
目的 研究 推進 い う 研究 高精 実現 解析対象 省略 く
高 複雑 巨大 生体 子 理論的 解析 要 あ
子力学計算 単 表面的 適用 ン ワ 相互作用 例 挙 く
本質的 相互作用 正確 記述 え い そう 生半可 研究 極 険 あ
実例 示 あ 複雑 生体機能 子 対 そ 機能構 一 省略
く 精密 体系 科学的 深く解析 物理学や化学 構 生物学理
論や情報科学理論 応用 可 あ そ 大規模計算 計
算科学 必要 場面 多く 計算科学研究 ン 超高 超並列 ン ュ 駆使 そ 課題 取 組
う 様々 解析技術 集中的 駆使 要 生物機能 担う生体機能 子
解明 以 生物機能 実体 原理的 明 当研究 基本方針
あ そ い 複雑 生体 内在 物理的法則性 解明 生命科学
ワ 現実 諸課題へ 広くそ 知見 応用 目指 研究 推進
酵素 ボ イム および タンパ 質複合体による酵素触媒反応機構 ボ イムの触媒反応機構 萩原 舘
酵素 触媒 反応前のX線構造
酵素 触媒 反応後
X線構造
酵素機能 ン 質 く
保持 得 世紀後半 見
原 始 生 命 生 組 疾 病 遺
伝 子治療 へ 応用 両面 精力的
研究 行わ い う 子
々 個
ン そ 酵素活性 著 く
進 無い 個
活性 壁 高い 第一原 ボ イムによる酵素触媒反応
理 子力学 子動力学 ュ ョン 世界 先駆 明
年 子 全体 含 系 ン ュ 内 構築 計算 用い そ 反
応機構 飛躍的 精密 検証 系 子全体 第一原理 子力学 適用
可能 あ 古典力学 基 く有効 ン 場 併用 子動力学 ュ
ョン 実行 極 有効 あ わ 活性部 対 場 触媒反応 生
いそ 以外 部 対 場 適用 両者 融合 計算 実行
そ 結果 本年 子 結合 個 ン ン
結合 水和構 形 以 安定 存在 得 明 線結
晶構 解析 知見 く一 い そ 個 ン 触媒機構 反応経路
推定 作業仮説 ュ ョン 開始
タンパ 質複合体による酵素触媒反応機構 萩原 舘
生命 最 基本的 要 機能 担う 合 酵素 触媒反応 機構
新 い計算 後述 用い ュ ョン 解析 系 解析対象
ン 質複合体 実験構 そ 点 十 あ
解像 実験 子構 関 情報 理論的 予測 補い そ 計算
構築 実験構 内在 複数 誤 系全域 わ 修正 精密 複合体
構 理論的 再構築 計算 約 原子 大規模
計算 構築 過程 い 子 化合物 ン 質 子 正確 ン 予測技
図
解析 対象 あ 生体機能高 子系 複合体 周 水 子 配置 全体 約 個 原子 構 計算
構築 そ 系全体 渡 立体構 高 精密化 計算科学的手法 理論構 生物学的 手法 有機的 組 合わ
行 そ 後 々 研究室 開 新 い計算 用い 子動力学計算 実行
結合 基質 そ 近傍 立体構 電子構 反応 生 箇所 基
矢 白 示 そ 近傍 基 攻撃 水 子 求 剤 初 定 水 子 反応点
離 基質 子内 広く 布 い 基質 水 子 水素結合 断 開放 示
う 水 子 反応点 接近 時 反応点 局在
a)
b)
c)
a)
b)
c)
術 新 開 必要 あ 計算 内 溶媒水 子 露わ 含
行う 予測 必要 あ ゆ 最大限 含 世界的 見 初 計算 あ
用い 上記 系 実験 補い 大規模 計算 系 構築
そ
得 大規模 生体 子系全体 対象 計算 実行 そ 生体触媒反応
多段階反応 初段 電子構 立体構 変化 明
解析結果 前 示 反応点近傍 水 子 安定 存在 共 反応点
形 原子 w 存在 明 わ
反応 水 子 孤立電子対 反応点 存在 攻撃 開始
考え
仮説 検証 ン 質 活性部 一部 化学構 変異 え 得 反応機 構 実験的 検証 実験系 設計 理論的 行い 生体 子 対 子 ン 開
開始
Gat におけるアンモニア輸送機構
畔柳 萩原 舘
遺伝情報 現 い 必須 機能 担う ン 基 転 移 酵 素 い
酵素反応 生 反応
ン 反応 活性中心 長
Å ン 結 ン ン
ン ン 子 そ 中
輸 送 考 え い 本 年
基質 複合体 内部 子 立体構 ふ
子 個別 置 子動力学 計算 ン 輸送経路
計算 行 ン う
組 輸送 い 解析
そ 結果 ン 考え い ン 通過 本研究 子動力学 計算
新 見出 別 経路 ン 通 輸送 明 ン
場 合 従 来 予 想 い ン ン 輸 送 く ン 子
通過 明 う 解析 時 得 ン 子輸送 自
曲面 論的 生化学実験 結果 く一 う 解析結果 検証 果
ム酸化酵素による機能発現機構 舘
ｃ酸化酵素 ン 内膜 存在 膜 ン 質 あ 酸素 子 水 子 還元
輸送 ン ン わ ン 質 子 生体内 ン あ
ロ ン H+ の移動 経路 仮説
電子 e‐ の移動 経路 仮説
ロ ム酸化酵素における電子および ロ ンの移動経路
H
+
ロ ンの移動経路 の例仮説
e
‐
Cu
Cu
電子の移動経路の 例 仮説 そ ン ン 機 構 解 明 目
指 酵素触媒反応 ン輸送
寄 a a 電子構
計 算 計算 後述
解 析 そ 結 果 単 体
内部 複合体
電子状態 大 く異 側面 あ
明 周
ン 質構 機能 強く制御 い 示唆 い
個 銅 原子 互い 結合 ン 質内部 酸残基 そ 配 極
特徴的 電子構 い 様 計算 計算
詳細 解析 そ 結果 近傍 存在 ン 電子構 対 影響 有
明 ン 機能 未知 あ ン 質機能 対
そ 役割 解明 第一歩 いえ あ
/ ハイ ッ 分子動力学計算 テムの開発 萩原 舘
現在 子動力学計算 計算 子動力
学 用い 広く使わ 当 い 酵素触媒反応機構 解析へ 応用 進 い
計算 く 自 曲面 解明 非常 有効 あ 方 当
研究 対象 原子や 原子 遷移金属 ン 質や ン 間 相互作用機構 含 そ 強相関電子系 含 系や ン移動 機構 高精 詳細 解析
新 計算 開 必要 あ
そ 高精 計算法 入 計算部 y
y 汎関数 全電子計算法 用 ン
開 高 高 並列計算 高精 計算 実現 本年
功 々 新 開 ン ワ 相互作用 高精 高
計算法 今後 実装 予定 あ 生体高 子 機能構 詳細 解析 い
従来 可能 あ 領域 対 非常 有効 解析 提供 可
能
計算 用い 巨大 ン 質複合体や 酸化酵素 系 対 既
実証研究 進 前述 そ 有効性 示 あ 用い 国内 国外
含 今後 多大 展 期待
タンパ 質間相互作用予測 テムの開発 橘 舘
生物機能 実体 ン 質や 生体高 子間 相互作用 あ 例え あ ン
質 機能 生体機能高 子 相互作用 現 あ
生体 子間 相互作用 理論的 正確 予測 技術 生命 本質 解明 直結
あ う 医薬品 開 そ
開 極 要 あ 医薬品 体内 ン 質や 生
体高 子 作用 初 そ 機能 揮
ン 質自体 見出 本質的 あ
当 ン 質 ン 計算法 開
既 行い そ 応用 ン 質 複合体 立体構 予測
実現 い 実 そ 主要 果 得 ン 質 複合体
構 録 広く一般 利用 供 い
あ 本年 知見 元 ン 質 ン 質
ン 予測計算 開 進
有 明
構築
探索
2分子の相対位置決定
エネ 評価
ンパ 質1 ンパ
相互作用面の同定 相互作用面
構築
探索
2分子の相対位置決定
エネ 評価
ンパ 質1 ンパ
相互作用面の同定 相互作用面
ン パ 質 分子1
ンパ 質 分 子2
水素結 合
原 子間距 離 水 素結合 の情報 を 出
N N O H H H H
頂 ： 形成さ 得 水素結 合 辺 ： 同時 存在し 得 水 素結合 のセッ ン パ 質
分子1
ンパ 質 分 子2
水素結 合 水素結 合
原 子間距 離 水 素結合 の情報 を 出
N N O H H H H N N O H H H H
頂 ： 形成さ 得 水素結 合 辺 ： 同時 存在し 得 水 素結合 のセッ
ン 質 子 う 複合体構 予測 い 十 精 信頼
性 有 い 見当 い そ く異
手法 ン 質 子間 ン 予測 情報 開
試 一般 生体高 子間 子認識 い 子間 形 水素結合 要 役割 果 本研究 子間 水素結合 ワ
情報科学的 解析手法 索法 予測
ン 質 子間 ン 構築
わ 水素結合 形 得 子間 原子群
表現 時 存在 得 水素結合 索 抽出 得 原子
そ 原子間距離 拘束 水素結合距離 満 う 両 ン 質 子 立体的 置関
最適化 複合体構 候補 得 計算段階 子間 大 配置 存在
最後 複合体 計算 評価 索 完全 問題 あ 現
実 計算 い そ 計算 効率化 極 要 そ 本研究 ン 質 子間 相互 作用面 候補 あ 離散的 定 計算領域 限定 上 先 一連 計算 実行
そ 結果 従来 予測 超え 計算精
現 在 複 合 体 立 体 構 解 明 い い 系 対 応 用 例 え 酸 化 酵 素
y 複合体 対 予測 そ 例 あ y
へ う く 電子移動 生 上記 計算 駆使 応用
T ロ ェ 舘
電子 基 く生体物質 構 反応機構 解析 研究代表者 舘 賢
当 中心 ン 上記 学内 推進 い 年 う 年目 単
子力学理論 計算科学 表面的 応用 留 く 情報科学的手法 開 融合 構
ン 進 以 計算 構築自体 理論的 行う 構 生物学的
精密 生体高 子 立体構 構築 自体 生命科学 進展 要 寄 考え
そ 計算 基 い 高精 子動力学 ュ ョン 子動力学
ュ ョン 実現 生体機能高 子 機能 現 く 電子構 子構
基 い 解明 目指
一般 極 複雑 立体構 有 生体機能 子 い 実験 鵜呑 ュ
ョン 本的 誤 く原因 現実 実例 示 事実 あ 実験 得
ン 質構 内在 誤 理論的 正 そ 得 精密 原子 標 計
算 用い 子動力学 ュ ョン 実行 一連 ワ そ 世
代 生物物理学 い 極 要 第一歩 あ 子 ュ ョン 計算技術
単独 生命科学 革新 あ 得 い そ 枠 超え 領域 渡 複数 解析技術 研究 対象 対 統合的 集中 適用 代 新 い生物物理学 開拓 試金石
以上 本研究 基本 ン あ 基 い 得 果 い新規 生体反応
機構 見 既 結 そ 一般性 第 明 あ 世代 新 い生物物
理学 創出 基盤 技術開 ュ ン 創出 目指 研究 今後 推進 考
え あ
研究業績 研究論文
1. First Principles Molecular Dynamics Study of Catalytic Reactions of Biological Macromolecular Systems: Toward Analyses with QM/MM Hybrid Molecular Simulations, Boero, M., Park, J. M., Hagiwara, Y., and Tateno, M., J. Phys. Cond. Mat., 19, 365217 (2007).
2. First-Principles Molecular Dynamics Study of Proton Transfer Mechanism in Bovine Cytochrome c Oxidase, Kamiya, K., Boero, M., Tateno, M., Shiraishi, K., and Oshiyama, A., J. Phys. Cond. Mat., 19, 365220 (2007).
4. Multiple proton-transfer reaction in DNA base pairs by coordination of Pt complex, T. Matsui, Y. Shigeta, K. Hirao, Journal of Physical Chemistry B 111, 1176 (2007).
5. Quantal cumulant dynamics for dissipative Systems, Y. Shigeta, AIP Conference Issue, 963, 1371 (2007).
6. Role of Nitrogen Atoms in Reduction of Electron Charge Traps in Hf-based High-k Dielectrics, N. Umezawa, K. Shiraishi, K. Torii, M. Boero, et al., IEEE Electron Dev. Lett., 28, 363 (2007).
7. Hydration properties of magnesium and calcium ions from constrained first principles molecular dynamics, T. Ikeda, M. Boero and K. Terakura, J. Chem. Phys., 127, 12248 (2007).
8. Excess electron in water at different thermodynamic conditions, M. Boero, J. Phys. Chem., A111, 12248 (2007).
9. Structures and evolutionary origins of plant-specific transcription factor DNA binding domains, Yamasaki, K., Kigawa, T., Inoue, M., Watanabe, S., Tateno, M., et al., Plant Physiol. and Biochem., 46, 394 (2008).
10. Elderberry bark lectins evolved to recognize Neu5Aca2,6Gal/GalNAc sequence from a Gal/GalNAc binding lectin through the substitution of amino-acid residues critical for the binding to sialic acid, Kaku, H., Kaneko, H., Minamihara, N., Iwata, K., Jordan, E. T., Rojo, M. A., Minami-Ishii, N., Minami, E., Hisajima, S., and Shibuya, N., J. Biochem, 142, 393 (2007).
11. Function of second glucan binding site including tyrosine 54 and 101 in Thermus aquaticusamylomaltase, Fujii, K., Minagawa, H., Terada, Y., Takaha, T., Kuriki, T., Shimada, J., and Kaneko, H., J. Biosci. Bioeng., 103, 167 (2007).
12. Improving the thermal stability of lactate oxidase by directed evolution, Minagawa, H., Yoshida, Y., Kenmochi, N., Furuichi, M., Shimada, J., and Kaneko, H., Cell. Mol. Life Sci., 64, 77 (2007).
14. 生体高分子の分子動力学計算, 舘 賢, 計算 ュ ョンと分析 解析 日本表面科学
会編, 丸善出版 , 21 (2007).
15. RNA 酵素反応の機構--- 子力学 基づく ュ ョン 創 子構造生物学 への
序, 舘 賢， エ ウ , 化学と工業 日本化学会 , 60, 587 (2007).
16. 第一原理計算 明 す 生体反応の精巧 仕組 , 舘 賢， エ ウ , 生物物理 日
本生物物理学会 , in press.
学会発表 招待講演
1. Computational Analyses of reaction mechanisms of biological macromolecules combined with informatical techniques, Tateno, M., The 4th Conference of the Asian Consortium on Computational Materials Sciences (ACCMS-4), Seoul, 2007.9.10.
2. Importance of fluctuation on molecular properties by molecular dynamics method, Shigeta, Y., International Conference of Computational Methods in Sciences and Engineering, Symposium 1, Greece, 2007.9.
3. Quantal Cumulant Dynamics for dissipative systems, Shigeta, Y., International Conference of Computational Methods in Sciences and Engineering, Symposium 1, Greece, 2007.9.
4. Possible mechanism of proton transfer through peptide groups in the H-pathway of the bovine cytochrome
c oxidase, Shiraishi, K., Kamiya, K., Boero, M., Tateno, M., and Oshiyama, A., Workshop on the
proton-pumping mechanism of mitochondorial respiratory system, Hyogo, 2007.11.3.
5. Introduction to molecular dynamics – from classical force fields to first principles, Boero, M., Spring College on “Water in Physics, Chemistry and Biology”, Trieste, 2007.4.10-21.
6. Reactive first principles molecular dynamics, Boero, M., Spring College on “Water in Physics, Chemistry and Biology”, Trieste, 2007.4.10-21.
8. Computer simulations from silicon to DNA: nanoscience in a virtual laboratory, Boero M., “From Micro to Nanotechnologies” International Workshop, Tokyo, 2007.5.17.
9. ATP Synthase and Cytochrome c Oxidase: Reactive simulations for biochemical processes, Boero, M., 10th Asian Workshop on First-Principles Electronic Structure Calculations (ASIAN10), Hiroshima 2007.10.29-31.
10. Reactive simulations for biochemical processes: the example of cytochrome c oxidase, Boero, M., Materials-Biology Interface: A Simulation Approach, Strasbourg, 2008.3.7.
11. 準 子 ュ ュ ン 分子動力学法, 田育照, 若手研究会 理論分子科学の ン を探
，岡崎, 2008.1.1イ-17.
12. 大規模 子動力学計算のための基礎理論の開発：準 子 ュ ュ ン 分子動力学法, 田育照，
パ コ ン ュ ワ ョ ッ プ 大 規 模 計 算 と 分 子 の , 岡 崎 ,
2008.2.18-19,
その他の学会発表
1. 超分子 け 機能制御機構の 子構造生物学, 舘 賢、神谷克也、白石賢二、 山淳、 エ
ウ , 科学研究費補助金特定領域研究 生体超分子構造 第三回ワ ョップ, 熱海,
2007.7.11.
2. 酸化酵素の機能発現機構の理論的解析, 舘 賢、神谷克也、白石賢二、 山淳、
エ ウ , 科学研究費補助金特定領域研究 生体超分子構造 公開 ン ウ , 千 ,
2007.12.18.
3. tRNA合成酵素の触媒反応機構の動力学的解析, 萩原陽介， エ ウ ，舘 賢, 第
７回蛋白質科学会年会, 仙台, 2007.5.24.
4. 情報科学 び計算科学的手法を組 合わせた ンパ 質間分子間 ッ ン 計算手法の開発,
橘田和志，舘 賢, 第７回蛋白質科学会年会, 仙台, 2007.5.24.
5. GatCAB け ンモ 輸送機構の計算科学的解析, 畔柳成秀，仲田 ゆ ，萩原陽介，舘
6. tRNA依存性 基転移酵素 け ンモ 分子輸送機構の動力学的解析, 畔柳成秀，仲
田 ゆ ，萩原陽介，舘 賢, 第７回蛋白質科学会年会, 仙台, 2007.5.24.
7. tRNA合成酵素の触媒反応機構の計算科学的解析, 萩原陽介， エ ウ ，深井周也，
濡木理，舘 賢, 科学研究費補助金特定領域研究 生体超分子構造 第三回ワ ョップ, 熱
海, 2007.7.11.
8. 生体超分子 機能発現機構解析のためのQM/MM分子動力学計算 の開発, 田育照，萩
原陽介，姜 志姈，舘 賢, 科学研究費補助金特定領域研究 生体超分子構造 第三回ワ
ョップ, 熱海, 2007.7.11.
9. 電子相関を露わ 導入したQM/MM プ カ 分子動力学計算法の開発, 萩原陽介， 田育照，
舘 賢, 次世代 パ コン ュ ン ン ウ 2007, 東京, 2007.10.3.
10. 生体分子機能発現機構解析の のQM/MM分子動力学計算プ の開発, 田育照，萩原陽
介，舘 賢, 次世代 パ コン ュ ン ン ウ 2007, 東京, 2007.10.3.
11. ュ ュ ン 表示 子分布関数, 田育照, 第１回分子科学会, 仙台, 2007.9.17.
12. 核輸送因子と転写因子の組 合わせ 関す 構造生物学的考察, 山岸良介、安原徳子、米田悦啓、
金子寛生, 第30回日本分子生物学会年会, 東京, 2007.12.
