Development of force field considering hydrogen-bond directionality
| Project/Area Number |
21K03489
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
苙口 友隆 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (90589821)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2022: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
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| Keywords | MDシミュレーション / 分子力場 / 蛋白質構造の自由エネルギー地形 / 構造アンサンブル最適化 / 蛋白質 / 構造アンサンブル / 分子動力学シミュレーション / X線溶液散乱 / 蛋白質分子力場 / 水素結合 |
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| Outline of Research at the Start |
子動力学法(MD)は生体分子機能の研究において極めて有用であるが、近年の計算機の発達により可能になったマイクロ秒MDによって、MD計算に必要な分子力場が未だに蛋白質構造の安定性を再現できていないことが顕著になりつつある。研究代表者は、蛋白質構造形成に重要な水素結合を正しく扱うためには、原子を点電荷として近似する従来の分子力場ではなく、研究代表者が開発した、極性原子を複数の電荷点で表す近似が必要であることを示してきた。そこで、本研究では、多点電荷原子モデルを導入した分子力場を電荷分布と共有結合項の両方に関して最適化を行うことで、蛋白質構造の安定性を再現できる高信頼度の分子力場を開発する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、蛋白質の構造物性に重要な水素結合を厳密に取り扱った分子力場を開発することで、蛋白質の分子動力学(MD)シミュレーションにおいては未だ問題がある蛋白質と水分子間の相互作用を正しく取り扱える分子力場を開発することである。蛋白質分子と水分子の間の相互作用は、蛋白質機能にとって重要な構造自由エネルギー地形を決定する因子であるため、その正しい取り扱いは蛋白質の機能物性の研究にとって必須である。同時に、分子力場の検証には蛋白質構造の自由エネルギー地形に関する実験データを用いる必要がある。
本研究においては、蛋白質構造の自由エネルギー地形に関する実験データとして、溶液中における分子の形状情報を与えてくれるX線溶液散乱(SAXS)を用いた。SAXSを適用する蛋白質の系としては、複数の機能単位(ドメイン)から構成される構造を持ち、そのドメイン間の動きが機能において重要な役割を果たすマルチドメイン蛋白質を用いた。それら蛋白質のSAXSデータとMDシミュレーションから分かったことは、現在の分子力場は蛋白質の二次構造を再現できるように最適化されているものの、ドメイン間構造揺らぎなど三次構造の動きは再現できず、そのため実験SAXSデータと一致するMDシミュレーションを行うことが困難であるということである。
そこで、分子力場の検証用データを得る為、本研究においては、MDデータと実験SAXSデータを情報理論の枠組みで統合して解析することで、蛋白質構造の自由エネルギー地形(構造アンサンブル)を可視化する手法を開発した。すでに本手法を用いて幾つかの蛋白質構造の自由エネルギー地形を可視化しており、それらの成果は学術論文として投稿し、現在査読中である。今後は、さらに多数の自由エネルギー地形を可視化していき、それらの地形データを再現できるように蛋白質と水分子間の相互作用を最適化していく。
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Report
(3 results)
Research Products
(7 results)
