Wet-Dry融合アプローチを用いた産業応用酵素の遷移状態制御による新機能創製

通过使用湿干融合方法控制工业应用酶的过渡状态来创建新功能

• 批准号: 17KT0010
• 负责人: 常盤 広明
• 金额: $ 11.81万
• 依托单位: Rikkyo University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-07-18 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17KT0010/
• 关键词: 産業応用酵素; 人工酵素; 第一原理計算; 分子動力学シミュレーション; 高解像度X線構造解析; フラグメント分子軌道計算; 基質特異性; PyMOL plug-inアプリケーション; Wet-Dry融合; フラグメント分子軌道法; 高分解能構造; 遷移状態制御; X線結晶構造解析

高い選択能を有する酵素の特性を生かした産業応用酵素群の開発は、資源の乏しい我が国において世界を牽引する科学技術革新として極めて重要な課題である。そこで本研究では、高精度な第一原理計算を用いた『Dry (計算化学、バイオインフォマティクス) 』手法と熱化学測定やX線結晶構造解析などを用いた『wet(酵素化学、構造生物学)』実験とを融合した新たなアプローチにより、高い選択能を有する酵素の特性を生かした産業応用酵素群を合理的に設計・開発することを目的としている。実際の対象としては、血液サンプル中に含まれる特定のアミノ酸、L-Thr濃度の定量計測への応用が期待されている短鎖型L-スレオニン脱水素酵素(TDH)等の標的タンパク質を取り上げた。特に、酵素反応における遷移状態を明らかにするだけでなく、天然型酵素の機能を目的に合わせて改変し、反応そのものを分子レベルで制御することで、天然酵素の活性を凌駕し、適用範囲を拡大した人工タンパク質（人工酵素）の合理的設計開発を目指した。最終的には、各種標的酵素だけに留まらず、創薬標的の中心である核内受容体やウイルスタンパク質に対する理論的解析についても推進した。特に、ＦＭＯ計算に基づいて、標的タンパク質と基質・リガンドとの各種相互作用エネルギーを効率的に３Ｄ表示をする汎用化ツール群の開発に成功した。これらの結果は国内外の学会等で発表するとともに、専門誌（J.Chem.Info.Model）に公表した。このツール群の詳細な解説および酵素系への応用については、Springerより今年度発刊予定の書籍中に掲載することとなった。さらに、これまでの構造を基盤とした解析に加えて、配列解析に基づくバイオインフォマティックスを利用した新たなWet-Dry融合解析により、実際に応用可能なレベルに機能向上した標的タンパク質の合理的な創製への道を開くことができた。

利用高度可选酶的特性的工业应用酶的开发是一个极为重要的问题，因为日本的一项世界领先的科学和技术创新，资源很少。因此，这项研究的目的是通过合理设计和开发一种工业应用的酶群，该酶群通过使用高精度第一原则计算与湿（酶化学，结构生物学）实验的干燥（计算化学，生物信息学）方法相结合，利用高度选择的酶的特性，使用热化学测量和X-Ray Cyrane分析。预计将用于定量测量L-THR浓度的实际靶蛋白，例如短链L-硫酸脱氢酶（TDH），也作为靶蛋白，例如诸如血样中包含的特定氨基酸。特别是，我们旨在通过不仅阐明酶反应中的过渡态，还可以修改天然酶的功能以适应和控制分子水平的反应，从而超过天然酶的活性并扩大其应用的合理设计和开发，并扩大其应用范围。最终，我们不仅促进了各种靶酶，还促进了核受体和病毒蛋白的理论分析，这是药物发现的核心目标。特别是，基于FMO计算，我们成功地开发了一组概括工具，这些工具有效地显示了目标蛋白与底物和3D中的底物和配体之间的各种相互作用能。这些结果在日本和国外的学术会议上介绍，并发表在专业杂志（J.chem.info.model）中。 Springer将在计划于今年出版的一本书中发布对这组工具和应用程序的详细说明。此外，除了先前基于结构的分析外，基于序列分析的生物信息学的新湿干融合分析为合理创建具有改进功能的靶蛋白铺平了道路，从而将功能提高到实际上适用的水平。

项目成果

Alkanoylation of quinazoline by nucleophilic aromatic substitution: Combined experimental and computational study

• DOI: 10.1016/j.tet.2017.11.071
• 发表时间: 2018-01
• 期刊: Tetrahedron
• 影响因子: 2.1
• 作者: Yumiko Suzuki;Naoto Iwata;Kohei Dobashi;R. Takashima;S. Arulmozhiraja;Erika Ishitsubo;N. Matsuo;H. Tokiwa

配列を基盤としたバイオインフォマティックスによるモルビリウイルスと感染哺乳動物との共進化に関する理論的研究

利用基于序列的生物信息学对麻疹病毒和感染哺乳动物共同进化进行理论研究

• 发表时间: 2018
• 作者: 樋口 玲爾;關 文緒;中野 祥吾;伊藤 創平;丸山 正;大石 和恵;竹田 誠;常盤 広明
• 通讯作者: 常盤 広明

面糖タンパク質HN を標的とした抗ムンプスウイルス薬の合理的設計開発

靶向面糖蛋白HN的抗腮腺炎病毒药物的合理设计与开发

• 发表时间: 2018
• 作者: 石川雄規;山本雄大;Sundaram Arulmozhiraja;常盤広明
• 通讯作者: 常盤広明

高精度第一原理計算を用いた構造未知たんぱく質を標的とした合理的創薬手法の開発と抗ウイルス薬への応用

利用高精度第一原理计算开发针对未知结构蛋白质的合理药物发现方法并将其应用于抗病毒药物

• 发表时间: 2017
• 作者: Takeru Kameda;Akinori Awazu;Yuichi Togashi;山本雄大・石川雄規・伊藤匡史・松尾直也・竹田誠・常盤広明
• 通讯作者: 山本雄大・石川雄規・伊藤匡史・松尾直也・竹田誠・常盤広明

第四次革新的手法を用いたウイルス糖タンパク質の理論的解析および完全人工抗体の設計開発

使用第四种创新方法对病毒糖蛋白进行理论分析并设计和开发完全人工抗体

• 发表时间: 2017
• 作者: S. Ojima;D. Katsube;H. Yamashita;Y. Miyato;S. Abo;and M. Abe;岡田全朗,小山時隆;松尾直也・中野祥吾・伊藤創平・竹田誠・Mark von Itzstein・常盤広明
• 通讯作者: 松尾直也・中野祥吾・伊藤創平・竹田誠・Mark von Itzstein・常盤広明