Construction of Cage Space for Real-time Tracking of Molecular Behavior

实时跟踪分子行为的笼空间构建

基本信息

批准号：
21J10039
负责人：
菱川湧輝
金额：
$ 0.96万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、ナノサイズのタンパク質ケージを結晶鋳型として、タンパク質ケージの内部空間に、ターゲットとなる分子反応場を構築することで、分子反応過程を実時間で直接追跡・解析できる実験システムの構築に挑んだ。前年度に引き続き、芳香環相互作用を構築・解析のターゲットとし、最終年度となる令和4年度は、（１）理論計算を用いた、タンパク質ケージ内での芳香環相互作用の動的挙動および熱力学特性の分子レベルでの解明、（２）芳香族蛍光分子の結合により駆動する分子挙動伝搬システムの開発と蛍光特性評価、（３）芳香族空洞設計による標的内包分子種の拡張、に取り組んだ。具体的には、（１）分子動力学シミュレーションにより、芳香族クラスターが、高温において幾何学配向をT型からπ-πスタッキングへと変化させること、また、水和エントロピーの獲得により、タンパク質の熱安定化に寄与していることを明らかにした。（２）タンパク質ケージの2回対称サブユニット界面に、異なる形状の分子ポケットを有する芳香族クラスターを構築した。適切なリガンドの結合を駆動力として、複数の芳香環側鎖の配向変化を制御できることを、X線結晶構造解析により確認し、分子挙動伝播システムの設計コンセプトを実証した。また、π-πスタッキングを介して芳香族蛍光分子をポケット内に孤立させ、リガンドの蛍光量子収率および蛍光寿命を向上できることを示した。（３）タンパク質ケージの内壁に複数のグリシンおよびフェニルアラニンを導入することにより、空洞を構築し、フラーレン誘導体の固定化、X線結晶構造解析による複合体構造の決定に成功した。以上により、タンパク質ケージ内部に、種々の多環式芳香族分子を固定化し、その集積状態・熱力学特性・光学特性を評価できる芳香族ケージシステムを構築した。従って、本研究は、分子反応過程を実時間で実験的に追跡するための、分子設計基盤を確立した。

在这项研究中，我们试图构建一个实验系统，该系统可以通过使用纳米尺寸蛋白质笼作为晶体模板在蛋白质笼的内部空间中构建靶分子反应场来直接跟踪和分析分子反应过程。 Continuing from the previous year, aromatic ring interactions are targeted for construction and analysis, and in the final year, 2022, the 2022, we worked on (1) elucidating the dynamic behavior and thermodynamic properties of aromatic ring interactions within protein cages using theoretical calculations, (2) developing and assessing the fluorescent properties of molecular behavior propagation systems driven by binding of aromatic fluorescent molecules, and (3) expanding靶标通过设计芳族腔来封装分子物种。具体而言，（1）分子动力学模拟表明，芳香族簇在高温下将几何学取向从T型从T型变为π-π堆积，并且通过获得水合熵，它们有助于蛋白质的热稳定。（2）在蛋白质笼的两倍对称亚基界面上构建了具有不同形状的分子袋的芳族簇。 X射线晶体结构分析证实，可以使用适当的配体结合作为驱动力来控制多个芳环侧链的方向变化，并证明了分子行为传播系统的设计概念。还显示，可以通过π-π堆积在口袋中分离芳族荧光分子，从而改善配体的荧光量子产率和荧光寿命。（3）通过将多种甘氨酸和苯丙氨酸引入蛋白质笼的内壁，构造了一个空腔，并将富勒烯衍生物的固定化以及通过X射线晶体结构分析对复合结构的测定成功。结果，通过将各种多环芳烃分子固定在蛋白质笼中，并允许它们评估其积累状态，热力学和光学特性，从而构建了芳族笼系统。因此，这项研究为实时跟踪分子反应过程的分子设计基础建立了一个分子设计基础。