理論的手法による光受容タンパク質の吸収波長と分子機能の制御機構の解明

本研究の目的は、光受容タンパク質において最適な吸収波長と分子機能が同一のタンパク質環境で実現する機構を、分子構造の観点から明らかにすることである。本年度は当初の計画通り、色素を1つだけ持ち、比較的単純な構造を持つ微生物ロドプシン、フコキサンチン-クロロフィルa/cタンパク質複合体、photoactive yellow proteinを解析の対象とした。まずは機能発現に重要であるタンパク質内プロトン移動と色素の吸収波長の関係を明らかにするため、量子化学計算により、色素が形成する低障壁水素結合上で起こるプロトン移動に伴う色素の吸収波長変化を解析した。色素がプロトンを授受するプロトン移動に伴い吸収波長が連続的に変化することを明らかにするとともに、吸収波長変化の機構をプロトン移動に伴う分子軌道エネルギー変化から一般的に説明することができた。また光励起に4つの分子軌道が関わるクロロフィルcについて、プロトン化状態の変化に伴う吸収波長の変化が、光励起に2つの分子軌道が関わる色素とは異なる機構で起こることを明らかにした。次に機能が未解明であるヘリオロドプシンについて、その機能解明の手がかりになるタンパク質内プロトン移動について解析した。量子化学計算によりプロトン移動のエナジェティクスを評価することで、とりうるプロトン移動経路を明らかにした。また分子動力学法を用いることで、その経路上で起こるプロトン移動に伴う、細胞外側で起こるタンパク質構造変化や、細胞質側で誘起されるタンパク質の水素結合ネットワークの揺らぎを明らかにした。本研究成果はヘリオロドプシンの機能解明への手がかりになるものであると考えられる。

本研究の目的は、光受容タンパク質において最適な吸収波長と分子機能が同一のタンパク質環境で実現する機構を、分子構造の観点から明らかにすることである。本年度は当初の計画通り、色素を1つだけ持ち、比較的単純な構造を持つ微生物ロドプシン、フコキサンチン-クロロフィルa/cタンパク質複合体、photoactive yellow proteinを解析の対象とした。まずは機能発現に重要であるタンパク質内プロトン移動と色素の吸収波長の関係を明らかにするため、量子化学計算により、色素が形成する低障壁水素結合上で起こるプロトン移動に伴う色素の吸収波長変化を解析した。色素がプロトンを授受するプロトン移動に伴い吸収波長が連続的に変化することを明らかにするとともに、吸収波長変化の機構をプロトン移動に伴う分子軌道エネルギー変化から一般的に説明することができた。また光励起に4つの分子軌道が関わるクロロフィルcについて、プロトン化状態の変化に伴う吸収波長の変化が、光励起に2つの分子軌道が関わる色素とは異なる機構で起こることを明らかにした。次に機能が未解明であるヘリオロドプシンについて、その機能解明の手がかりになるタンパク質内プロトン移動について解析した。量子化学計算によりプロトン移動のエナジェティクスを評価することで、とりうるプロトン移動経路を明らかにした。また分子動力学法を用いることで、その経路上で起こるプロトン移動に伴う、細胞外側で起こるタンパク質構造変化や、細胞質側で誘起されるタンパク質の水素結合ネットワークの揺らぎを明らかにした。本研究成果はヘリオロドプシンの機能解明への手がかりになるものであると考えられる。