Construction of Cage Space for Real-time Tracking of Molecular Behavior

实时跟踪分子行为的笼空间构建

基本信息

批准号：
21J10039
负责人：
菱川湧輝
金额：
$ 0.96万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、ナノサイズのタンパク質ケージを結晶鋳型として、タンパク質ケージの内部空間に、ターゲットとなる分子反応場を構築することで、分子反応過程を実時間で直接追跡・解析できる実験システムの構築に挑んだ。前年度に引き続き、芳香環相互作用を構築・解析のターゲットとし、最終年度となる令和4年度は、（１）理論計算を用いた、タンパク質ケージ内での芳香環相互作用の動的挙動および熱力学特性の分子レベルでの解明、（２）芳香族蛍光分子の結合により駆動する分子挙動伝搬システムの開発と蛍光特性評価、（３）芳香族空洞設計による標的内包分子種の拡張、に取り組んだ。具体的には、（１）分子動力学シミュレーションにより、芳香族クラスターが、高温において幾何学配向をT型からπ-πスタッキングへと変化させること、また、水和エントロピーの獲得により、タンパク質の熱安定化に寄与していることを明らかにした。（２）タンパク質ケージの2回対称サブユニット界面に、異なる形状の分子ポケットを有する芳香族クラスターを構築した。適切なリガンドの結合を駆動力として、複数の芳香環側鎖の配向変化を制御できることを、X線結晶構造解析により確認し、分子挙動伝播システムの設計コンセプトを実証した。また、π-πスタッキングを介して芳香族蛍光分子をポケット内に孤立させ、リガンドの蛍光量子収率および蛍光寿命を向上できることを示した。（３）タンパク質ケージの内壁に複数のグリシンおよびフェニルアラニンを導入することにより、空洞を構築し、フラーレン誘導体の固定化、X線結晶構造解析による複合体構造の決定に成功した。以上により、タンパク質ケージ内部に、種々の多環式芳香族分子を固定化し、その集積状態・熱力学特性・光学特性を評価できる芳香族ケージシステムを構築した。従って、本研究は、分子反応過程を実時間で実験的に追跡するための、分子設計基盤を確立した。

在本研究中，我们将利用纳米尺寸的蛋白质笼作为晶体模板，在蛋白质笼内部空间构建目标分子反应场，构建一个可以直接实时跟踪和分析分子反应过程的实验系统。我挑战了。继去年之后，我们以芳香环相互作用为目标进行构建和分析，在令和4年的最后一年，我们重点关注（1）利用理论计算阐明蛋白质笼内芳香环相互作用的动态行为；分子水平的热力学性质，（2）开发由芳香族荧光分子结合驱动的分子行为传播系统并评估荧光特性，以及（3）通过设计芳香族空腔来扩展目标分子种类。具体来说，（1）分子动力学模拟表明，芳香族簇在高温下将其几何取向从T型改变为π-π堆积，并且水合熵的获得导致蛋白质的热变化。至稳定。 (2)在蛋白笼的二重对称亚基界面处构建了具有不同形状分子袋的芳香族簇。我们通过X射线晶体结构分析证实，可以使用适当配体的结合作为驱动力来控制多个芳环侧链的取向变化，并论证了分子行为传播系统的设计理念。我们还表明，芳香族荧光分子可以通过π-π堆积在口袋内被隔离，以提高配体的荧光量子产率和荧光寿命。 (3)通过在蛋白笼内壁引入多个甘氨酸和苯丙氨酸，构建空腔，成功固定富勒烯衍生物，并通过X射线晶体学测定复杂结构。如上所述，我们构建了一个芳香笼系统，可以将各种多环芳香分子固定在蛋白质笼内，并评估它们的积累状态、热力学性质和光学性质。因此，本研究建立了一个分子设计平台，用于实时跟踪分子反应过程。