Theoretical research on the ground state destabilization hypothesis in enzymatic reactions

本研究の目的は「基底状態での基質不安定化が酵素反応を加速する」という依然として未解明の作業仮説にに関して、非経験的量子化学計算と経験的分子力場を融合した複合シミュレーション技術（いわゆる ab initio QM/MM計算）を基礎として、構造解析に基づく蛋白質構造情報から基質歪みの重要性が示唆される酵素に対して、触媒効果を理論／計算化学の視点から解明することにある。今回は特に、中性子構造解析により生理条件下でプロトン化状態が完全に決定されたバイオマス分解酵素のキシラナーゼ（Xylanase）を具体例として、大規模量子化学計算を基礎とした精密分子計算により酵素基質複合体の活性中心近傍の構造を詳細に解析することで、触媒反応の本質であるβグリコシド結合加水分解過程における基質不安定化（基質歪み）とタンパク質構造変化との相関を詳細に解析していく。基底状態不安定化仮説を検証するために２つのアプローチで計算化学研究を実施しており、まずは直接的な検証として、QM領域を大きくとったQM/MM計算を実施して反応過程における活性中心の構造変化を追跡し、各種の実験データ（高分解能X線結晶構造および中性子構造）との比較検討を通して、反応前後のタンパク質質構造変化の詳細を確認する。また並行して、本酵素系の特徴として反応環境の柔軟性（具体的には反応温度/pHの広さ）が知られており、反応場の柔軟性が酵素活性に及ぼす影響を通して酵素タンパク質の特異性を調べるため、反応温度および局所的なpH環境を変化させた酵素反応過程の自由エネルギー計算を実施することで、タンパク質と基質の相互作用を多様な視点から解析して、活性中心近傍の構造変化が酵素活性に及ぼす影響を検討した。

本研究の目的は「基底状態での基質不安定化が酵素反応を加速する」という依然として未解明の作業仮説にに関して、非経験的量子化学計算と経験的分子力場を融合した複合シミュレーション技術（いわゆる ab initio QM/MM計算）を基礎として、構造解析に基づく蛋白質構造情報から基質歪みの重要性が示唆される酵素に対して、触媒効果を理論／計算化学の視点から解明することにある。今回は特に、中性子構造解析により生理条件下でプロトン化状態が完全に決定されたバイオマス分解酵素のキシラナーゼ（Xylanase）を具体例として、大規模量子化学計算を基礎とした精密分子計算により酵素基質複合体の活性中心近傍の構造を詳細に解析することで、触媒反応の本質であるβグリコシド結合加水分解過程における基質不安定化（基質歪み）とタンパク質構造変化との相関を詳細に解析していく。基底状態不安定化仮説を検証するために２つのアプローチで計算化学研究を実施しており、まずは直接的な検証として、QM領域を大きくとったQM/MM計算を実施して反応過程における活性中心の構造変化を追跡し、各種の実験データ（高分解能X線結晶構造および中性子構造）との比較検討を通して、反応前後のタンパク質質構造変化の詳細を確認する。また並行して、本酵素系の特徴として反応環境の柔軟性（具体的には反応温度/pHの広さ）が知られており、反応場の柔軟性が酵素活性に及ぼす影響を通して酵素タンパク質の特異性を調べるため、反応温度および局所的なpH環境を変化させた酵素反応過程の自由エネルギー計算を実施することで、タンパク質と基質の相互作用を多様な視点から解析して、活性中心近傍の構造変化が酵素活性に及ぼす影響を検討した。