イオンと電子が関わる生体分子機能におけるタンパク質熱揺らぎの役割の理論的解明

以下の二テーマについて研究を行った。1. チャネルロドプシン(Channelrhodopsin, 以下ChR)の伝導モデル構築と開状態のモデリング。脳内神経伝導における重要な役割を果たすChRの結晶構造は2012年解明されたにも関わらず、チャネルが閉じた状態しか取れず、光照射によるレチナール異性化が制御するイオン通路のメカニズムや、開状態の構造等は未だ不明である。それらを解明するために、我々の研究室が開発したQM/MM reweighting free energy SCF法（以下RWFE法）で理論計算を行った。開状態の前駆体であるeP2状態のモデリングに成功し、いくつか実験で観測された重要な構造変化の予測に成功した。理論計算で観測された構造変化に基づき、先行研究と異なるメカニズムを提唱した。2. 光化学系II(Photosystem II, 以下PSII)における構造とKok cycleの反応メカニズム。植物による太陽エネルギーを利用し水分解酸素反応を行う中心はPSIIである。酸化還元中心が存在するため、高解像度X線結晶構造の測定には還元され容易く、正確的な構造を得るのは難しい。S1状態を含め、他のS状態構造や反応中心のプロトン化状態等、不明なところが多く残されている。我々はモデリングした構造を基づき、解析を行った。その結果、PSIIの反応中心であるマンガンクラスターに関して、いくつか重要な構造変化を発見した。さらに、S1とS2状態間の自由エネルギーを評価した。実験で提唱された値と比較し、Kok cycleの後続過程に関する最新実験が提唱したメカニズムとも一致するモデルを確定した。

以下の二テーマについて研究を行った。1. チャネルロドプシン(Channelrhodopsin, 以下ChR)の伝導モデル構築と開状態のモデリング。脳内神経伝導における重要な役割を果たすChRの結晶構造は2012年解明されたにも関わらず、チャネルが閉じた状態しか取れず、光照射によるレチナール異性化が制御するイオン通路のメカニズムや、開状態の構造等は未だ不明である。それらを解明するために、我々の研究室が開発したQM/MM reweighting free energy SCF法（以下RWFE法）で理論計算を行った。開状態の前駆体であるeP2状態のモデリングに成功し、いくつか実験で観測された重要な構造変化の予測に成功した。理論計算で観測された構造変化に基づき、先行研究と異なるメカニズムを提唱した。2. 光化学系II(Photosystem II, 以下PSII)における構造とKok cycleの反応メカニズム。植物による太陽エネルギーを利用し水分解酸素反応を行う中心はPSIIである。酸化還元中心が存在するため、高解像度X線結晶構造の測定には還元され容易く、正確的な構造を得るのは難しい。S1状態を含め、他のS状態構造や反応中心のプロトン化状態等、不明なところが多く残されている。我々はモデリングした構造を基づき、解析を行った。その結果、PSIIの反応中心であるマンガンクラスターに関して、いくつか重要な構造変化を発見した。さらに、S1とS2状態間の自由エネルギーを評価した。実験で提唱された値と比較し、Kok cycleの後続過程に関する最新実験が提唱したメカニズムとも一致するモデルを確定した。