All-Atom Analysis of Dissolution and Aggregation of Proteins in Multi-Component Solutions

本研究の目的は、分子動力学シミュレーション（MD）と自由エネルギー計算によって、水と共溶媒（溶媒環境に含まれる水以外の非反応性成分）からなる多成分溶媒中のタンパク質溶質の溶解性と凝集性を全原子モデルで解析することである。本年度は、溶質は中性とし、ホフマイスター系列を念頭に置いてイオンを共溶媒とする解析を行なった。MDシミュレーションにはOpenMMを使用し、自由エネルギー計算ではエネルギー表示溶液理論を実装したERmodを用いた。力場はAMBERを基本として、分子内の部分電荷をRESP法によって適宜定めるとともに、イオンの力場は実験値に対して最適化されたものを用意した。主たる対象量は、溶質の過剰化学ポテンシャルの共溶媒濃度依存性である。これまでに、過剰化学ポテンシャルの共溶媒濃度に対する微分は、対応する溶媒和自由エネルギーの微分を溶質構造の上で平均したものに等しいという統計力学定理を証明し、本研究では、この定理の別証を与えるとともに溶液系の構造ゆらぎを定量化するKirkwood-Buff積分との関連を見出した。そこで、共溶媒カチオンをアルカリイオン、共溶媒アニオンをハロゲン化物として溶媒和自由エネルギーを解析した。溶質が中性のとき、アニオン依存性の方がカチオン依存性より大きいことが見出された。溶媒和自由エネルギーを構成する溶質－溶媒直接相互作用を見たところ、溶質－カチオン、溶質－アニオン、および、溶質－水相互作用の中で溶質－アニオン相互作用がホフマイスター系列と一致することが分かった。また、溶媒和自由エネルギーに対する別の寄与である排除体積効果を検討したところ、水の寄与、つまり、共溶媒の導入に伴う水の排除体積効果の変化という間接的な寄与が大きいことが示された。つまり、溶質－アニオン直接相互作用と水の排除体積効果がホフマイスター系列の支配因子であることが分かった。

本研究の目的は、分子動力学シミュレーション（MD）と自由エネルギー計算によって、水と共溶媒（溶媒環境に含まれる水以外の非反応性成分）からなる多成分溶媒中のタンパク質溶質の溶解性と凝集性を全原子モデルで解析することである。本年度は、溶質は中性とし、ホフマイスター系列を念頭に置いてイオンを共溶媒とする解析を行なった。MDシミュレーションにはOpenMMを使用し、自由エネルギー計算ではエネルギー表示溶液理論を実装したERmodを用いた。力場はAMBERを基本として、分子内の部分電荷をRESP法によって適宜定めるとともに、イオンの力場は実験値に対して最適化されたものを用意した。主たる対象量は、溶質の過剰化学ポテンシャルの共溶媒濃度依存性である。これまでに、過剰化学ポテンシャルの共溶媒濃度に対する微分は、対応する溶媒和自由エネルギーの微分を溶質構造の上で平均したものに等しいという統計力学定理を証明し、本研究では、この定理の別証を与えるとともに溶液系の構造ゆらぎを定量化するKirkwood-Buff積分との関連を見出した。そこで、共溶媒カチオンをアルカリイオン、共溶媒アニオンをハロゲン化物として溶媒和自由エネルギーを解析した。溶質が中性のとき、アニオン依存性の方がカチオン依存性より大きいことが見出された。溶媒和自由エネルギーを構成する溶質－溶媒直接相互作用を見たところ、溶質－カチオン、溶質－アニオン、および、溶質－水相互作用の中で溶質－アニオン相互作用がホフマイスター系列と一致することが分かった。また、溶媒和自由エネルギーに対する別の寄与である排除体積効果を検討したところ、水の寄与、つまり、共溶媒の導入に伴う水の排除体積効果の変化という間接的な寄与が大きいことが示された。つまり、溶質－アニオン直接相互作用と水の排除体積効果がホフマイスター系列の支配因子であることが分かった。