2020 Fiscal Year Annual Research Report
Empirical valence bond method combined with extended ensemble simulations and its application to molecular engines
Publicly Offered Research
| Project Area | Molecular Engine: Design of Autonomous Functions through Energy Conversion |
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| Project/Area Number |
19H05410
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| Research Institution | National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology |
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Principal Investigator |
櫻庭 俊 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子生命科学領域, 主任研究員(任常) (90647380)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 経験的原子価結合法 / 分子動力学シミュレーション / 拡張アンサンブル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
酵素等が司る生体内でのエネルギー変換機構において最も重要なプロセスは、電子移動に伴う化学結合の変化である。経験的原子価結合法(Empirical Valence Bond; EVB)は、低い計算コストで反応過程におけるエネルギー面や反応に伴う構造変化を見積もることができる手法である。EVB法は活性中心付近に変異を入れた際の酵素反応の活性予測が可能であるなど、特に酵素の改変や人工設計に威力を発揮することが期待される。しかしながら、現在のEVB法はその計算結果が初期構造に強く依存する問題があり、初期構造がX線結晶構造由来でない場合の計算が難しい問題があった。
2020年度の本研究では、EVB法の初期構造依存の問題を緩和する手法の開発を行った。拡張アンサンブル法を用いてEVB法の計算中に多様な分子構造をサンプリングすることでこの問題を解決することを狙った。EVB法を代表的分子シミュレーションソフトウェアであるGROMACSに移植し、拡張アンサンブル法のパイプラインを組み合わせ、トリオース3リン酸異性化酵素をターゲットとして精度の改善を検証した。
しかしながら、拡張アンサンブル法を組み合わせた計算では、計算精度がむしろ悪化する傾向が見られた。調査の結果、現在のEVB法で用いられる力場関数が最安定構造の反応前後の構造変化だけを考慮して作られており、たとえば活性中心の原子が離れた時などの多様な構造をカバーしきれていないことが分かった。すなわち、本研究で目論んだ多様な構造のサンプリングによる精度の向上は、現在のEVB法のポテンシャルの設計のもとでは逆効果であり、問題の解決には例えばポテンシャル関数の再設計といった改善が必要である。一方で、当初の目的であった「信頼性の低い構造を元にしたEVB」の高精度化のためには、反応中心のモデリングに注力し、周辺の結晶水の配置と水素結合ネットワークを再現するだけで充分な精度が得られることが分かった。
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| Research Progress Status |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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