構造ゆらぎを促進する分子シミュレーション手法の開発と自由エネルギー計算

2012 年度 実績報告書

• 研究領域: 揺らぎが機能を決める生命分子の科学
• 研究課題/領域番号: 20107002
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 岡本 祐幸 名古屋大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (70185487)
• 研究期間 (年度): 2008-04-01 – 2013-03-31
• キーワード: 生体系 / 蛋白質 / 分子シミュレーション / 拡張アンサンブル法 / 自由エネルギー計算

研究実績の概要

今年度は、まず、タンパク質の分子シミュレーションのためのポテンシャルエネルギー（力場）の改良について幾つかの提案を行った。一つは、主鎖のねじれエネルギー項に２次元フーリエ級数を導入したものであり、もう一つは、同じく主鎖のねじれエネルギー項にアミノ酸依存性を導入したものである。両方とも既存の力場よりより良く実験結果を再現できることを示した。また、新しい拡張アンサンブル法として、温度と外磁場のランダムウォークを引き起こす、Simulated Tempering and Magnetizing 法を開発した。この新手法の有効性を示すために、２次元Ising模型と２次元３状態ポッツ模型に適用して、一回のシミュレーションの結果から、任意の温度と任意の外磁場における熱力学量が精度良く計算できることを示した。更に、Simulated Tempering Umbrella Sampling 法を開発し、これを量子効果を取り入れた密度汎関数法による、マロンアルデヒドのプロトン移動の計算に適用し、精度の高い自由エネルギー計算ができることを示した。

現在までの達成度 (段落)

24年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

24年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Improvement of the backbone-torsion-energy term in the force field for protein systems by double Fourier series expansion (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakae and Y. Okamoto
  • 雑誌名: Molecular Simulation 巻: 39 ページ: 85-93
  • DOI: 10.1080/08927022.2012.705432
  • 査読あり
• [雑誌論文] Free-energy analyses of a proton transfer reaction by smulated-tempering umbrella sampling and first principles molecular dynamics simulations (2013)
  • 著者名/発表者名: Y.Mori and Y. Okamoto
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 87 ページ: 023301 (1-4)
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.87.023301
  • 査読あり
• [雑誌論文] Amino-acid-dependent main-chain torsion-energy terms for protein systems (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakae and Y. Okamoto
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: 138 ページ: 064103 (1-8)
  • DOI: 10.1063/1.4774159
  • 査読あり
• [雑誌論文] Simulated tempering with fast on-the-fly weight determination (2013)
  • 著者名/発表者名: P.H. Nguyen, Y. Okamoto, and P. Derreumaux
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: 138 ページ: 061102 (1-4)
  • DOI: 10.1063/1.4792046
  • 査読あり
• [雑誌論文] Application of simulated tempering and magnetizing to a two-dimensional Potss model (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Nagai, Y. Okamoto, and W. Janke
  • 雑誌名: Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment 巻: 2013 ページ: P02039 (1-21)
  • DOI: 10.1088/1742-5468/2013/02/P02039
  • 査読あり
• [雑誌論文] Residual entropy of ordinary ice calculated from multicanonical Monte Carlo simulations (2012)
  • 著者名/発表者名: B.A. Berg, C. Muguruma, and Y. Okamoto
  • 雑誌名: Molecular Simulation 巻: 38 ページ: 856-860
  • DOI: 10.1080/08927022.2011.651140
  • 査読あり
• [雑誌論文] Simulated tempering and magnetizing: Application of two-dimensional simulated tempering to the two-dimensional Ising model and its crossover (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Nagai and Y. Okamoto
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 86 ページ: 056705 (1-12)
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.86.056705
  • 査読あり
• [雑誌論文] Simulated tempering and magnetizing simulations of the Ising model (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Nagai and Y. Okamoto
  • 雑誌名: Physics Procedia 巻: 34 ページ: 100-104
  • DOI: 10.1016/j.phpro.2012.05.016
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular simulations in generalized ensemble (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto
  • 雑誌名: Molecular Simulation 巻: 38 ページ: 1282-1296
  • DOI: 10.1080/08927022.2012.690878
  • 査読あり
• [雑誌論文] タンパク質分子シミュレーションのための力場関数 (2012)
  • 著者名/発表者名: 榮慶丈、依田隆夫、杉田有治、岡本祐幸
  • 雑誌名: 日本物理学会誌 巻: 67 ページ: 343-349
  • 査読あり
• [学会発表] Multidimensional generalized-ensemble simulations of biological systems (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto
  • 学会等名: International Symposium on Protein Folding and Its Biological Significance
  • 発表場所: Okazaki, Japan
  • 年月日: 2013-03-04 – 2013-03-06
  • 招待講演
• [学会発表] Replica-exchange, simulated tempering, and multicanonical algorithms for simulations of complex systems (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto
  • 学会等名: The 5th Korea-Japan Seminars on Biomolecular Sciences - Experiments and Simulations
  • 発表場所: High 1 Resort, Korea
  • 年月日: 2013-02-24 – 2013-02-26
  • 招待講演
• [学会発表] Structural fluctuations of proteins in folding, unfolding, and ligand docking studied by generalized-ensemble simulations (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto
  • 学会等名: The 6th International Symposium on Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 20121205-06
• [学会発表] Generalized-ensemble algorithms for simulations of bionanomaterials (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto
  • 学会等名: The 1st International Conference on Emerging Advanced Nanomaterials (ICEAN 2012)
  • 発表場所: Brisbane, Australia
  • 年月日: 20121022-25
• [学会発表] Computational biophysics by generalized-ensemble algorithms (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto
  • 学会等名: The 17th Biophysics Conference
  • 発表場所: Taipei, Taiwan
  • 年月日: 20120523-25
• [学会発表] Generalized-ensemble algorithms for classical and quantum simulations (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto
  • 学会等名: International Workshop on Recent Advances in Computational and Theoretical Chemistry
  • 発表場所: Nagoya, Japan
  • 年月日: 2012-11-09 – 2012-11-09
  • 招待講演
• [学会発表] Generalized-ensemble simulations in materials and biological sciences [plenary talk] (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto
  • 学会等名: The 5th Japan-Russia International Workshop on Molecular Simulation Studies in Material and Biological Sciences (MSSMBS'12)
  • 発表場所: Dubna-Moscow, Russia
  • 年月日: 2012-09-09 – 2012-09-12
  • 招待講演
• [学会発表] Molecular simulations in generalized ensemble (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto
  • 学会等名: Professor N. Quirke 60th Birthday Symposium
  • 発表場所: London, United Kingdom
  • 年月日: 2012-07-06 – 2012-07-06
  • 招待講演
• [図書] Biomolecular Simulations: Methods and Protocols (2012)
  • 著者名/発表者名: A. Mitsutake, Y. Mori, and Y. Okamoto (edited by L. Monticelli and E. Salonen)
  • 総ページ数: pp. 153-195
  • 出版者: Humana Press
• [図書] Practical Aspects of Computational Chemistry II: An Overview of the Last Two Decades and Current Trends (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Okumura, S.G. Itoh, and Y. Okamoto (edited by J. Leszczynski and M.K. Shukla)
  • 総ページ数: pp. 69-101
  • 出版者: Springer