Development of force field considering hydrogen-bond directionality

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K03489
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: Oroguchi Tomotaka 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (90589821)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 蛋白質構造の自由エネルギー地形 / 分子動力学シミュレーション / 蛋白質-水分子間相互作用 / 構造アンサンブル最適化法 / 情報量空間 / 溶液Ｘ線散乱 / 溶媒和自由エネルギー

Outline of Final Research Achievements

The interactions between proteins and water molecules are crucial factors that determine the free energy landscape of protein conformations, making their accurate treatment essential in molecular dynamics simulations. However, current molecular force fields do not correctly treat protein-water interactions, and it remains challenging for MD simulations to reproduce experimental data concerning the free energy landscape of protein conformations. Therefore, optimization of protein-water interactions is necessary, and in order to acquire reference data for the optimization, it is necessary to visualize the free energy landscape from experimental data. In this study, we developed a method to visualize the free energy landscape through integrating experimental and MD data within the framework of information theory. We applied the method to experimental solution X-ray scattering data and demonstrated its capability to visualize the free energy landscape.

Free Research Field

生物物理

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

従来研究においても、蛋白質自由エネルギー地形を可視化するために、実験データとMDデータの統合的解析方法が開発されてきたが、それらは経験的なものであり、数学的根拠があり、かつ真の構造分布を高精度で再現することに成功した手法はERICS法が最初である。近年、疾患に繋がるような細胞内環境の変化や遺伝子変異は、原因蛋白質の自由エネルギー地形を変調していることが報告されるようになってきた。したがって、ERICS法によって、多様な蛋白質の自由エネルギー地形が可視化できるようになれば、蛋白質の機能発揮機構を明らかにする生物物理研究のみならず、疾患の分子機序を調べる医学的研究等にも貢献できることが期待される。