反応中心自動更新法の開発と酵素反応への応用

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酵素反応の高い基質特異性の起源を原子・分子レベルで解明するために、今年度は①基質-タンパク質の結合過程解析手法をIr置換P450変異体酵素へ応用、②原子核の量子性を考慮したラジカル反応解析へ応用した。①は、基質がタンパク質内部の反応中心へ至る結合過程経路を網羅探索することが可能となった。基質の配向や初期位置が異なることによって反応中心へ至る経路中のエネルギー障壁に差が生じることがわかった。従来のドッキングシミュレーションでは基質がタンパク質の反応中心に結合した構造のみを与えるが、本研究によって基質が反応中心に至る最適な経路を算出することが可能となった。②は数原子系の反応経路網羅探索を実施した。これまでに分子内反応における水素原子核の量子性の重要性が議論されてきたが、本検討によって分子間反応における原子核の重要性が示唆された。特に、水素原子がローミングする場合には核の量子性は小さく古典的に扱った場合と同様の結果が得られた。一方で、1-2シフトや協奏的に水素原子が結合の組み替えに関わる場合に、原子核の量子性の重要性が見られ、3~5 kcal mol-1程度反応障壁が低くなることがわかった。また、　原子核の量子性を考慮した酵素反応機構解析を行うためにマルチスケールシミュレーション法であるQM/MMプログラムの開発を実施した。QM領域およびMM領域を階層的に並列化(ノード内とノード間並列)させることによって高速に反応経路探索が実行できることを確認できた。