Development of high-resolution interaction-energy-space decomposition analysis for next-generation in silico drug discovery

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K21632
• Research Institution: National Institute of Health Sciences
• Principal Investigator: 沖山 佳生 国立医薬品食品衛生研究所, 医薬安全科学部, 研究助手 (80536384)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: エネルギー成分分解 / フラグメント分子軌道法 / 相互作用エネルギー / 電子メカニズム

Outline of Annual Research Achievements

フラグメント分子軌道（FMO）法はタンパク質をはじめとした生体高分子に対する高精度な量子化学計算を効率的に実行可能な計算手法である。FMO法の副産物であるフラグメント間相互作用エネルギー（IFIE）は大規模分子内の局所的な安定性指標としてFMO解析の中心で利用されている。このIFIEを単に引力斥力のみならず、電子的メカニズムごとの成分分解（エネルギー分解解析；EDA）を行うことで、より詳細な結合情報に基づいた解析手法が注目を集めている。一方で、EDAの実施に非直交基底を利用する場合、軌道の重ね合わせに由来する不定性が特に電荷移動の定量的評価を困難にしていた。そこで本研究では昨年度に引き続き、直交軌道を用いたEDA法の一つであるNEDA法とFMO法とを融合させ、化学的描像に優れた成分分解を可能とする相互作用エネルギー解析手法の開発を行ってきた。
昨年度までに実装が完了した従来のMO法の枠組みでのAO→NBO基底変換、並びにFMO/PIEDA法を基礎技術とし、最終年度はFMO/NEDA法の実装および検証を実施した。まず従来のMO法ベースのNBO基底に基づくNEDA法の実装を行なった。また一方で、AO→NBO基底変換がFMO法におけるフラグメントを対象として実施可能となるように拡張した。これらMO/NEDAとFMO/NBOを融合・拡張することで、NEDA法ベースのIFIEの成分分解を実装した。この際、すでにフラグメントが周囲からの環境静電場によって分極状態にあることを考慮し、分極エネルギー成分の取り扱いについて工夫した。基底関数重ね合わせ誤差に関しても同様である。最後にこのようにして得られた解析手法を実タンパク質－リガンド複合体システムに適用し、本開発の有効性を示した。