[論文レビュー] WHAT IS LIFE - Sub-cellular Physics of Live Matter

Antti J. Niemi|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2014

Nonlinear Photonic Systems参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、細胞小器官物理学を用いてタンパク質構造を理解するための幾何学的・物理的枠組みを提案する。タンパク質をトポロジカルなソリトンやスピン鎖としてモデル化し、側鎖が骨格幾何学に一致するように配置される。本研究では、ラマチャンドラン角と結合角が二次構造と相関することを示し、タンパク質データベースの精製プロセスが、ϑ_NCのような骨格角に幾何的応力を不均等に割り当てている可能性があることを明らかにした。一方で、側鎖角は構造的に不変のままである。これは、物理的整合性に基づいた改善された検証手法の必要性を示唆している。

ABSTRACT

This is a set of lectures that I presented at the Les Houches 2014 Summer School "Topological Aspects in Condensed Matter Physics". The lectures are an introduction to physics of proteins. To physicists, and by a physicist. My lectures at les Houches were also celebration of the anniversary of Schroedinger's 1944 lectures, and for that reason I decided to share my title with his book.

研究の動機と目的

• 従来の生物学的・化学的モデルを超えて、タンパク質構造を物理的・幾何学的・トポロジカルな枠組みで理解するためのフレームワークを提供すること。
• タンパク質骨格幾何学と側鎖の配置が、対称性の破れやトポロジカル秩序といった、自己組織化する物理的原理をどのように反映しているかを調査すること。
• 幾何的歪みが結合角にどのように分布しているかを明らかにすることで、現在のタンパク質構造検証手法に内在する矛盾を指摘すること。
• 折りたたまれたタンパク質における側鎖がスピン鎖のようであり、Cα骨格に強く結合していることから、Cα位置からのみ全原子構造予測が可能であると提唱すること。
• トポロジカルソリトンや顕在する対称性の破れといった物理的原理が、細胞小器官レベルでのタンパク質構造の組織化にどのように関与しているかを明らかにすることで、凝縮系物理学、理論生物学、および生物物理学分野における新しい理論的・計算的手法の創出を促すこと。

提案手法

• Frenet枠形式を用いてタンパク質骨格の内在的幾何学を記述し、側鎖の向きを分析するための局所座標系を確立する。
• Ramachandranプロットと結合角解析（ϑ_NC、ϑ_Nβ、ϑ_βC）を用いてタンパク質のコンformationを分類し、理想値からの逸脱を検出する。
• 1.0 Å分解能のPDBデータセットを分析し、αヘリックス、βストランド、ループなどの二次構造における四面体結合角の分布をマップする。
• 側鎖をスピン変数として扱うスピン鎖アナロジーを導入し、Cα骨格に強い結合があるため、フェルマグネチックに似た相に近い状態を示す。
• 観察された側鎖の幾何学的規則性に基づき、統計的推論を用いてCα位置からの全原子タンパク質構造の再構成が可能であると提唱する。
• アーベル・ヒッグス模型と空間的ゆっくり変化の極限を用いて、タンパク質骨格におけるトポロジカル欠陥とソリトン的構造をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜϑ_NC角は二次構造に明確な依存を示す一方で、側鎖角であるϑ_Nβとϑ_βCはそうではないのか？
• RQ2 観察された側鎖の幾何学的規則性を踏まえると、Cα骨格位置からのみ全原子タンパク質構造をどの程度再構成できるのか？
• RQ3 Frenet枠におけるCβ原子の配置が、フェルマグネチックスピン系に類似した物理的相をどのように反映しているのか？
• RQ4 現在のタンパク質構造検証ツール（例：Molprobity）が、なぜ主にϑ_NCに精製のストレスを割り当てるのか？
• RQ5 トポロジカルソリトンや顕在する対称性の破れといった物理的原理が、細胞小器官レベルでのタンパク質構造の組織化にどのように関与しているのか？

主な発見

• ϑ_NC角は、隣接するペプチド平面の相対的配置を制御するが、二次構造と明確な相関を示しており、骨格の曲げや幾何学的制約の役割を果たしていることが示された。
• 一方、側鎖角であるϑ_Nβとϑ_βCは、理想値を中心に単一のピークを持つ分布を示し、二次構造依存性は検出されず、実験データにおいて構造的に不変であることが示唆された。
• ϑ_Nβとϑ_βCに二次構造依存性がないことは、精製アルゴリズムがϑ_NCの誤差に対して過剰に補正を加えている可能性を示しており、現在の検証プロトコルに潜在する欠陥を示唆している。
• Frenet枠におけるCβ原子の角度変動は最小限であり、Cα骨格と側鎖幾何学との間には強く一貫した結合が存在し、フェルマグネチックスピン配列に類似した状態であることが示された。
• 観察された側鎖の幾何学的秩序性により、幾何学的規則性に基づく統計的推論を用いて、Cα位置からの全原子タンパク質構造の理論的再構成が可能であることが示された。
• 本稿では、折りたたまれたタンパク質とスピン鎖の間の深い物理的類似性を特定した。側鎖は骨格の幾何学的場に強く引きつけられ、スピン変数として振る舞い、タンパク質折りたたみにおける顕在的トポロジカル秩序を示唆している。