2015 Fiscal Year Research-status Report
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15K00410
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| Research Institution | Kinjo Gakuin University |
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Principal Investigator |
中川 節子 金城学院大学, 生活環境学部, 教授 (50050711)
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2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 分極力場 / 分極率 / 点電荷 / 誘起双極子 / 核酸 / DNA / ブロックモデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
分子力学シミュレーションは、タンパク質・核酸など生体高分子の動的構造を研究する上で有力な方法である。生体系のように電荷をもつ不均一な系では、分極力場を使用して計算精度を上げる必要があると考えられる。特にDNAのようにリン酸イオンを多数含む高分子系では、原子の電荷と分極率を切り離して設定することが難しく、高い精度を持つ分極力場を構築することができていない。本研究では、電荷と分極率をブロック単位で求め、DNAに適応可能な実践的な方法を検証し、十分な精度を持つ分極力場の開発を行っている。
研究は三つのステップで進めている。１．分極ブロックモデルポテンシャル（PBMP）を構築し評価するためのプログラムの改良・拡張を行う。２．DNAを構成するヌクレオチドに対して、分極ブロックモデルのパラメータである点電荷と原子分極率を決定する。３．決定したパラメータを用いて、相互作用エネルギーの再現性を評価する。
ステップ１にあたるPBMP開発のための三つのプログラム（ESFIT、POPFIT、IDFF）の開発はほぼ終了した。ESPFITは、量子化学計算で求めた分子表面の静電ポテンシャルを再現するように、分子の点電荷を最適化するプログラムである。ブロックモデルに使用できるように、ブロック分子間で重複する原子を消去して最適化できるように改良した。POPFITは、量子力学計算で求めた分子表面の分極一電子ポテンシャルを再現するように、分子の原子分極率を最適化するプログラムである。トリヌクレオチド分子を扱うことができるよう拡張を行った。IDFFは、決定した点電荷および原子分極率パラメータを用い、エネルギーを求めるプログラムである。複数のブロックから構成されるオリゴヌクレオチドの計算を行うことができるように改良した。ブロック内の点電荷と誘起双極子の相互作用を消去する拡張を行っている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
分極ブロックモデルポテンシャル開発のための三つのプログラムが使用できるようになったため、ステップ２のDNAを構成する４種のヌクレオチドの分極ブロックモデルのパラメータの決定に進んでいる。ステップ２では、次の３種のブロックモデルを設定し、ESPFITとPOPFITプログラムを用いて、各々のブロック分子のパラメータを最適化する。（１）ヌクレオチド単位を１つのブロック分子として扱う１ブロックモデル、（２）リン酸基－デオキシリボース部分と塩基部分に分ける２ブロックモデル、（３）リン酸基、デオキシリボース、塩基部分に分ける３ブロックモデル。三つのモデルの内で3ブロックモデルは、ヌクレオチド内の二つの結合の回転を扱うことができるため、このモデルの開発を優先した。DNAを構成する4種のヌクレオチドの各々を三つのブロック分子に切り分け、点電荷と分極率パラメータを決定した。ESPとPOP最適化の際に参照とする量子化学計算には、MP2/6-311++G(2d,2p)を用いた。
決定したパラメータを用い相互作用エネルギーの再現性を評価するステップ３にも進んでいる。再現性を評価するには、いくつかの相互作用モデルを用い、精度の高い量子化学計算を行い、参照とするデータを揃えておく必要がある。トリヌクレオチド二量体のような大型の分子の量子化学計算を行うには、多大な計算時間を要する。このため、ステップ２のパラメータ開発と並行して、大型分子の量子化学計算を開始した。トリヌクレオチド二量体モデルの計算を、B3LYP/6-31+G*およびMP2/6-31+G*レベルで行っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
分極ポテンシャルの非結合項のエネルギーは、決定したパラメータを用いプログラムIDFFで算出する。結合項のエネルギー算出には、既存の分子動力学プログラムCHARMMを用いる。計算に使用するヌクレオチドモデル構造は、X線結晶構造解析データ(PDB-ID 1ZF1及び1ZF7)から作成する。
先ず、トリヌクレオチド単量体を取り上げ、ナトリウムイオン及び水分子が近接する場合の相互作用エネルギーを求め、量子力学計算結果と比較する。次いで、トリヌクレオチド二量体を用い、二量体間の距離を変化させて相互作用エネルギーを求め、ポテンシャルエネルギー表面の形状の再現性を検証する。分極ブロックモデル力場の構築において、ヌクレオチドをブロックに細分化すれば、相互作用エネルギーの再現性はある程度落ちると考えられる。ここでは、先に述べた三種のブロックモデルについての比較検討も行う。
更に、回転エネルギーの再現性に注目した研究を進める。モノヌクレオチドモデルを用い、３ブロックモデルの二か所の接合点における回転について検討する。一つ目の接合点は、デオキシリボースの4'と5'のC-C結合である。二つ目はデオキシリボースの1'のCと塩基間のC-N結合である。分極ブロックモデル力場の構築において、ヌクレオチドを３ブロックモデルのように細分化すれば、細分化されたブロック間の静電的な影響をよりよく取り入れることができるので、コンフォメーション変化に対応できるパラメータを得ることができると考えられる。
ドイツHeinrich Heine UniversityのC. M. Marian教授とフラビンモノヌクレオチドに関して共同研究を行っている。フラビンモノヌクレオチドに関しても同様に、分極ブロックモデルポテンシャルパラメータを決定して、光受容体タンパク質の計算に応用していく。
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| Causes of Carryover |
コンピュータを使った共同研究を行う上で、インターネットを介したコンピュータの相互利用は必須であるが、セキュリティの確保が極めて重要である。これまで、自作のファイアウォールを構築して使用していたが、老朽化したためVPN（バーチャル・プライベート・ネットワーク）の導入を検討していた。2016年3月中旬にコンピュータを設置している研究室が新しい建物に移転することになった。このため、VPNを移転後の4月に新研究室に設置することとしたため、次年度使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
VPN機器購入設定費用（見積もり額 257,040円）に使用する。
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