Molecular mechanism of the accurate protein synthesis of the ribosome in translation

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細胞内には類似した分子が多数存在する。このような環境の中で，例えばタンパク質を合成するリボソームは正しいtRNA分子をどのように選択して結合させるのだろうか。本研究課題は速度論的な観点でこのような分子認識機構を解明することを目的としている。本研究課題においては会合・解離速度定数のような速度論パラメータを3つの計算スケールに分けて計算する。原子レベルでは分子動力学，1個の分子全体はブラウン運動，拡散過程は拡散方程式の解をそれぞれ利用することにより，広いスケールにおよぶ現象を扱うことを可能にする。第二年目においてはリボソームにおける翻訳の開始過程を理解するために，リボソーム開始前複合体におけるリボソーム小サブユニットと開始tRNAとの結合・解離過程を研究対象とした。上記のスケールでいう原子レベルでの分子動力学計算をその手段として利用した。一方でリボソーム小サブユニットを原子レベルでの分子動力学シミュレーションで実行することは計算時間の点から難しい。そのため本課題においては粗視化モデルを活用することにより，リボソームとtRNAの結合・解離過程を理解するためのシミュレーションを実行した。具体的手法としてはメタダイナミクスとアンブレラサンプリングを使用した自由エネルギー解析を行い，tRNAの結合・解離過程における分子機構を明らかにすることを試みた。以上の解析から，リボソーム開始前複合体に開始tRNAが結合する過程における様々な段階において，その結合・解離自由エネルギーは異なることを見出した。tRNAが結合した直後の状態では複合体の全体はまだ安定化されていない一方で，tRNAが結合し緩和した状態ではtRNAがリボソームから解離することは難しいことが分かった。さらに，このようなエネルギー状態の相違はリボソームタンパク質やRNAとの相互作用が変化することによるものであることを見出した。