Theoretical study on molecular mechanisms of biomolecular functions

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タンパク質分子は、酵素活性部位における高い触媒反応活性のみならず、タンパク質分子に特徴的な大域的分子ダイナミクスにより、複数の化学現象を相関させる共役性という顕著な分子機能を有している。本研究では、我々が独自に開発した化学現象とタンパク質ダイナミクスを高精度かつ統一的に記述することができるハイブリッド分子シミュレーション法である QM/MM RWFE-SCF 法を用いて、タンパク質分子機能に関する以下の理論的研究を行った。微生物型ロドプシンの光感受性イオン輸送機構：受動輸送をするアニオンチャネル GtACR1 及び能動輸送をするアニオンポンプ NpHR のプロトン状態が異なる複数の状態に対して、光活性化チャネル開構造のイオン配置とタンパク質構造のモデリングを行った。その結果、プロトン化状態の変化に伴う結合塩素イオンの大きな移動、及び新たな塩素イオンの結合を観測した。このようなチャネル内への複数のイオンの結合は、神経細胞のカリウムイオンチャネルなどにも見られており、高いイオン輸送効率に重要な役割を果たしていることを強く示唆している。光合成系II（PSII）の酸素分子生成及びプロトン排出機構：酸素分子生成サイクル（Kok サイクル）のマンガンクラスター 3 電子酸化状態（S3 状態）の構造モデリングを行った。その際、複数のプロトン化状態の構造モデリングを行うことにより、プロトン移動を伴う酸化状態変化の反応経路モデルを得た。また、分極補正項を計算する手法の開発を行った。SARS-CoV-2 Mpro の共有結合型阻害剤結合：Warhead 部位が異なる3 個の阻害剤分子候補に関して、共有結合形成前後の QM/MM 自由エネルギー構造最適化を行った。その結果、Warhead 部位の違いにより、阻害状態生成における共有結合エネルギーの寄与が大きく異なることを明らかにした。