2014 Fiscal Year Annual Research Report
ＤＮＡの協同的分子認識機構解明のための電子相関効果を導入した量子化学解析法と応用
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23245005
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
青木 百合子 九州大学, 総合理工学研究科(研究院), 教授 (10211690)
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| Project Period (FY) |
2011-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | DNA / 量子化学 / 電子状態 / 構造最適化 / 導電性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ＤＮＡの生体内における役割を電子論的に解明する上で避けられない、安定構造探索（構造最適化）を高速に実行するためのElongation-構造最適化法を、より実用的に展開するための基盤構築とプログラム開発を行った。また、不要な遠距離二電子積分を適切にカットすることにより、精度を落とさず全系の電子状態を効率的に求めるための並列化効率アップのためのチューニングも合わせて行った。特にランダムなＤＮＡに対しては、一部の構造が異なるだけでも、従来法では全系をまるごと扱う必要がある。しかしながら、塩基配列が変化しない部分においては、Elongation法の特徴を利用することにより既に求めた電子状態を利用でき、効率的に様々な塩基配列を有するＤＮＡを扱うことが出来る。このことを利用した効率的なＤＮＡシーケンスの探索の仕方を工夫し、様々な天然ＤＮＡや人工ＤＮＡに適用した。本方法を、ＤＮＡの生理機能やタンパク質との相互作用を分子レベルで解明できる方法を展開することを目的とし、周囲の電荷のもとでのSCF法、局所的相互作用の局所的高精度な扱い方法、分子動力学方との結合、振動解析法などを発展させるとともに、電子相関効果を効率的に得る手法を導入している。また、金属を含む場合を想定し、相対論効果の導入のほか、スピン状態と絡む生体内磁性問題にも取り組むために、開殻系Elongation法の開発も並行して行った。
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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
Elongation-構造最適化についてはベンチマークテストを行い、従来の全系に対するダイレクトな構造最適化計算と同じ結果か、あるいはさらに安定な点を効率的に探しうることを確認した。並列効率を上げるためには、Elongation法において領域局在化軌道を作成する過程の非効率性の問題や、Quantum Fast Multipole Method（QFMM）法を導入したときに生じる誤差の原因をさぐり、プログラムソースコードを改善した。さらに電子相関効果を含めるためにＨＦ＋ＬＭＰ2 法のレベルでの開発を継続しているが、金属やハロゲンを含むＤＮＡへの展開には相対論効果の導入が避けられないことが分かり、一電子積分の計算部分に対して相対論ハミルトニアンを加算することにより演算可能とする手法を並行して組み込んでいる。
合わせて、存在する金属に関わって問題となる様々なスピン状態の計算にも適用可能とするため、別途、開殻系Elongation法を開発した。ここでは、高スピン性を表す指標として独自に考案したMinimized Mixing 非結合性軌道をElongation法における領域局在化分子軌道と併用することにより、演算効率を上げることに成功した。
一方でElongation法と分子動力学法との結合を本格的に行っているが、いきなりＤＮＡに適用するとデバッグの段階で膨大な計算時間を要するため、まずポリグリシンでテスト計算を行い、最適化の困難な柔らかい生体系の代表例として糖鎖に対して適用した。特に生体系では重要となる静電相互作用を効率的に取り込むために、高分子鎖を伸長する過程で予め攻撃してくるフラグメントの静電荷を置いた状態で、活性軌道と攻撃フラグメントとのＳＣＦ計算を行う手法を導入し、何も置かないでＳＣＦ計算をした場合に比べて、効率的でかつ全系計算とより一致することを見出した。
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| Strategy for Future Research Activity |
ＤＮＡとタンパク質の相互作用など、また広く一般に酵素における、受容体とリガンドの結合などの局所的相互作用を扱う場合、QM/MM法などの半経験的な方法を導入せずに全て非経験的分子軌道計算で効率的にかつ（局所的）正確に得られる手法を構築する。とりわけ、詳細に相互作用を評価する必要のある局所部分のみ高精度で評価し、それ以外の部分はHartree-Fockレベルの比較的小さな基底関数を用いる手法を開発していたのでこれを完成に向けて継続する。つまり、従来法では全系をまともにＳＣＦ計算に掛けるため、最初から収束しない場合も予想されるのに対し、Elongation法では、重要部分のみの領域局在化軌道をベースとして局所的に大きな基底関数を用いる高精度ＳＣＦ計算を行う手法が適用できるため、そのプログラム化が現在進行中である。これを完成させ、ＤＮＡにおける局所的相互作用を効率よくしかも精度良く計算できるアルゴリズムを完成させる。分子動力学法については、糖鎖に適用しただけであるので、塩基を含むＤＮＡ全体に対して適用できるよう発展させたい。また、適用範囲を広げるために、ハロゲンや重金属が絡むＤＮＡもその電子状態を高精度で得るための相対論効果の導入を完成させる。とりわけ金属を含む場合を想定して、Elongation法の領域局在化の概念を利用した局所的開殻系への計算に向けてさらなる展開を行うとともに、局所的電子相関効果の導入が効率よく可能となるようにさらなる開発を続ける予定である。
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