2018 Fiscal Year Annual Research Report
Clarification of Ubiquitous Proton Function in Photoreceptive Proteins by Quantum Molecular Dynamics Simulations
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18H05264
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
中井 浩巳 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00243056)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高野 光則 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (40313168)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | 光受容タンパク質 / 量子的分子動力学（QMD）法 / 遍在プロトン / バクテリオロドプシン（BR） / FoF1-ATP合成酵素 / 光活性イエロータンパク質（PYP） / GPUアクセラレータ / 励起状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では，理論およびプログラム開発に関する基礎テーマ(T1),(T2)，基底状態が関与する応用テーマ(G1),(G2),(G3)，励起状態が関与する応用テーマ(E1),(E2)を計画した．当初計画では，このうち2018年度には，(T1)GPUアクセラレータによる長時間シミュレーション手法の開発,(T2)大規模励起状態シミュレーション手法の開発，基底状態が関与する応用テーマ(G1)バクテリオロドプシン（BR）のプロトン移動ダイナミクス, (G3)FoF1-ATP合成酵素における機能発現ダイナミクスに着手することとなっていた．
(T1)では，4種類のGPU搭載ワークステーションを購入し，GPUアクセラレータに対応すべくDC-DFTB-MD法を改良し，それぞれの性能評価を行った．
(T2)では，大規模系に対する励起状態シミュレーションを可能にするため，時間依存型のDC-TDDFTB法を開発した．また，長距離補正作用にも適したDC-TDLCDFTB法を開発し，精度向上を図った．
(G1)では，実験的に提案されている5段階のプロトン移動のうちXFELによって観測されている初期3段階についてDC-DFTB-MD法により機構解明を目指した．1段階目に加えて、2019年度予定の3段階目に関しても検討し，いずれも水酸化物イオン（OH-）中間体を介する全く新しいプロトン移動機構を解明することができた．
(G3)では，解像度の低い電子顕微鏡構造（eLife, 2016; 解像度7 Å）を用いてFo部位の古典分子動力学（CMD）計算を実施し，膜の内側と外側を繋ぐような水チャネルが捉えられた．また，タンパク質分子間の静電相互作用に影響を与える水の誘電特性に関する研究を行った．
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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
以下に示す各テーマの進捗状況から，「（２）おおむね順調に進捗している」と判断した．
(T1)では，前当初の研究計画通り，GPUアクセラレータに対応したDC-DFTB-MD法のアルゴリズム開発を行った．特に，次年度以降の本格的なシミュレーションでは，本計算手法に対して最高性能を示すGPUアクセラレータを使用したいと考えた．そこで，4種類のGPUアクセラレータを導入し，それぞれの性能を評価した．また，当初の研究計画にはなかったが，DC-DFTB-MD計算のためのプログラムDCDFTBMDを公開し，世界各国で利用できるようにした．これにより，今後幅広い関連分野に波及効果をもたらすことが期待される．(T2)では，当初の研究計画通り，DC-DFTB-MD法の励起状態への拡張ならび精度改善を行った．
(G1)では，BRの1段階目と3段階目のプロトン移動を対象としたDC-DFTB-MD計算を実行し，全く予見していなかった新たな反応機構を見出すことに成功した．(G3)では，GPUアクセラレータの導入が遅れたものの，Fo部位に対するCMD計算より，膜の内側と外側を繋ぐような水チャネルが捉えることができた．また，当初予定していなかった水の誘電特性に関する研究も行い，本テーマの機構解明に対する基礎的な知見を得た．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの進捗・成果・問題点を考慮した結果，本研究は順調に進展していると判断できた．したがって，2019年度以降も当初の研究計画通り各テーマを遂行する
(T1)では，2018年度の評価結果に基づいて最適なGPUアクセラレータを追加導入する．そして，本格実施に向けてDC-DFTB-MD法のさらなる高速化・高機能化を図る．(T2)では，2018年度に開発した大規模励起状態シミュレーション手法DC-TDDFTB-MD法をGPUアクセラレータによる高速化を図る．
(G1)では，当初の研究計画より前倒しで2段階目のプロトン移動の解析に着手する．また，2018年度までの結果をまとめ上げ，トップジャーナルへの投稿を目指す．2019年度より，(G2)の「イオン輸送機能を持つ微生物型ロドプシンにおけるプロトン移動ダイナミクス」に関する研究テーマを開始する．その際，(G3)におけるCMD計算，(G1)におけるQMD計算のノウハウを活用する．(G3)に関して，2019年にこれまで用いていた電子顕微鏡構造（eLife, 2016; 解像度7 Å）より解像度が格段に高い結果が発表された（eLife, 2019; 解像度3 Å）．そこで，この新しい構造をもとにFo部位のCMD計算をやり直し，より確かな水チャネルを得ることにより，プロトン移動の機構を解明する．
2019年度より，(E1)の「光活性イエロータンパク質における光異性化ダイナミクス」に関する研究テーマを開始する．その際，(T2)で開発した励起状態計算手法DC-TDDFTBを活用する．
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| Remarks |
DCDFBMDプログラムの公開
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