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 研究成果報告書

• 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
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 岡本 祐幸 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (70185487)
• 研究期間 (年度): 2008 – 2012
• 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

研究概要

研究期間中に構造ゆらぎを促進するとともに精度の高い自由エネルギー計算を可能にする拡張アンサンブル法を幾つか開発したが、特に、多次元・多変数の拡張アンサンブル法の一般定式化に成功した。拡張アンサンブルシミュレーションによって、水中のvillin headpiece を完全に伸びた初期構造から自然の構造に折り畳むことに成功した。また、5 組のリガンドとタンパク質においてドッキングシミュレーションを実行し、実験で得られた結合構造と全て一致することを示した。これは新しい創薬手法を提案するものである。更に、水中のubiquitin の圧力に関する拡張アンサンブルシミュレーションを実行し、70 番目の残基の化学シフトが圧力とともに大きく変化するという、北原・赤坂の高圧NMR の実験結果を再現することに成功した。これらの結果は、拡張アンサンブル法が原子・分子の詳細を取りいれたシミュレーションにおいて、定量的な予測能力を持つことを実証するものであり、将来的に大きな発展が期待される。

研究成果

• [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 (4 pages)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Application of simulated tempering and magnetizing to a two-dimensional Potts 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 2013 巻: P02039 ページ: 21
  • 査読あり
• [雑誌論文] Amino-aciddependent 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 (8 pages)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Free-energy analyses of a proton transfer reaction by simulated-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 (4 pages)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improvement of the backbone-torsion-energy term in the force field for protein systems by the 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
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phase behavior of a lipid bilayer system studied by a replica-exchange molecular dynamics simulation (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Nagai, R. Ueoka, and Y. Okamoto
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 81 ページ: 024002 (9 pages)
  • 査読あり
• [雑誌論文] タンパク質系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巻 ページ: 343-349
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ab initio prediction of protein-ligand binding structures by replica-exchange umbrella sampling simulations (2011)
  • 著者名/発表者名: H. Kokubo, T. Tanaka, and Y. Okamoto
  • 雑誌名: Journal of Computational Chemistry 巻: 32 ページ: 2810-2821
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dynamic structure of the polytheonamide B channel studied by normal mode analysis (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Mori, H. Kokubo, S. Oiki, and Y. Okamoto
  • 雑誌名: Molecular Simulation 巻: 37 ページ: 975-985
  • 査読あり
• [雑誌論文] Protein structure predictions by parallel simulated annealing molecular dynamics using genetic crossover (2011)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakae, T. Hiroyasu, M. Miki, and Y. Okamoto
  • 雑誌名: Journal of Computational Chemistry 巻: 32 ページ: 1353-1360
  • 査読あり
• [雑誌論文] Drug design by generalized-ensemble simulations (2011)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto
  • 雑誌名: Current Pharmaceutical Design 巻: 17 ページ: 1758-1772
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optimisation of OPLS-UA force-field parameters for protein systems using protein data bank (2010)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakae and Y. Okamoto
  • 雑誌名: Molecular Simulation 巻: 36 ページ: 1148-1156
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydrophobic core formation and dehydration in protein folding studied by generalized-ensemble simulations (2010)
  • 著者名/発表者名: T. Yoda, Y. Sugita, and Y. Okamoto
  • 雑誌名: Biophysical Journal 巻: 99 ページ: 1637-1644
  • 査読あり
• [雑誌論文] Generalized-ensemble algorithms for the isobaric-isothermal ensemble (2010)
  • 著者名/発表者名: Y. Mori and Y. Okamoto
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 79 ページ: 074403 (5 pages)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Replica-exchange molecular dynamics simulations for various constant temperature algorithms (2010)
  • 著者名/発表者名: Y. Mori and Y. Okamoto
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 79 ページ: 074401 (8 pages)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dependency of ligand free energy landscapes on charge parameters and solvent models (2010)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto, T. Tanaka, and H. Kokubo
  • 雑誌名: Journal of Computer-Aided Molecular Design 巻: 24 ページ: 699-712
  • 査読あり
• [雑誌論文] Helix-hairpin transitions of a designed peptide studied by a generalized-ensemble simulation (2010)
  • 著者名/発表者名: S.G. Itoh, A. Tamura, and Y. Okamoto
  • 雑誌名: Journal of Chemical Theory and Computation 巻: 6 ページ: 979-983
  • 査読あり
• [雑誌論文] Replica-exchange method in van der Waals radius space: overcoming steric resctirctions for biomolecules (2010)
  • 著者名/発表者名: S.G. Itoh, H. Okumura, and Y. Okamoto
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: 132 ページ: 134105 (8 pages)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Folding simulations of three proteins having all alpha-helix, all beta-stand and alpha/beta structures (2010)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakae and Y. Okamoto
  • 雑誌名: Molecular Simulation 巻: 36 ページ: 302-310
  • 査読あり
• [雑誌論文] Folding simulations of gramicidin A into the β -helix conformations: simulated annealing molecular dynamics study (2009)
  • 著者名/発表者名: T. Mori and Y. Okamoto
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: 131 ページ: 165103 (6 pages)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multidimensional generalized-ensemble algorithms for complex systems (2009)
  • 著者名/発表者名: A. Mitsutake and Y. Okamoto
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: 130 ページ: 214105 (14 pages)
  • 査読あり
• [雑誌論文] From multidimensional replica-exchange method to multidimensional multicanonical algorithm and simulated tempering (2009)
  • 著者名/発表者名: A. Mitsutake and Y. Okamoto
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 79 ページ: 047701 (4 pages)
  • 査読あり
• [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
  • 発表場所: Experiments and Simulations, High 1 Resort, Korea
  • 年月日: 20130224-26
• [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] Generalized-ensemble simulations in materials and biological sciences (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto
  • 学会等名: [Plenary Talk] 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: 20120909-12
• [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 protein aggregation and ligand binding (2011)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto
  • 学会等名: [Plenary Lecture] The 7th International Conference: Structure and Stability of Biomacromolecules (SSB2011)
  • 発表場所: Kosice, Slovakia
  • 年月日: 20110906-09
• [学会発表] Generalized-ensemble algorithms: powerful conformational sampling techniques for biomolecular simulations (2011)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto
  • 学会等名: Jawaharlal Nehru University International Conference, Biomolecular Simulation: Algorithm and Application
  • 発表場所: New Delhi, India
  • 年月日: 20110315-16
• [学会発表] Multidimensional generalized-ensemble algorithms for biomolecular simulations (2011)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto
  • 学会等名: The 3rd Korea-Japan Seminar on Biomolecular Sciences
  • 発表場所: Experiments and Simulations, Jeju, Korea
  • 年月日: 20110227-0301
• [学会発表] Computer simulations of biomolecular systems (2011)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto
  • 学会等名: The 7th Asian Biophysics Association (ABA) Symposium
  • 発表場所: New Delhi, India
  • 年月日: 20110130-0202
• [学会発表] Generalized-ensemble algorithms for multiscale biomolecular simulations (2010)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto
  • 学会等名: BioScience2010: Workshop on Expanding the Frontiers of Biomolecular Science
  • 発表場所: Juelich, Germany
  • 年月日: 20101115-17
• [学会発表] Generalized-ensemble simulations in protein science (2010)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto
  • 学会等名: [Keynote Talk] The 4th Japan-Russia International Workshop on Molecular Simulation Studies in Material and Biological Sciences (MSSMBS'10)
  • 発表場所: Dubna-Moscow, Russia
  • 年月日: 20100926-29
• [学会発表] Folding and misfolding simulations of biomolecules (2010)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto
  • 学会等名: The 10th Taiwan International Symposium on Statistical Physics (StatPhys-Taiwan-2010)
  • 発表場所: Taipei, Taiwan
  • 年月日: 20100727-31
• [学会発表] Molecular dynamics methods in generalized ensemble (2010)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto
  • 学会等名: The 239th American Chemical Society National Meeting
  • 発表場所: San Francisco, California, U.S.A.
  • 年月日: 20100321-25
• [学会発表] Generalized-ensemble simulations of protein folding (2010)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto
  • 学会等名: The 23rd Annual Workshop of the Center of Simulational Physics: Recent Developments in Computer Simulations Studies in Condensed Matter Physics
  • 発表場所: Athens, Georgia, U.S.A.
  • 年月日: 20100221-27
• [学会発表] Generalized-ensemble simulations of bionanostructures (2009)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto
  • 学会等名: The 238th American Chemical Society National Meeting
  • 発表場所: Washington, D.C., U.S.A.
  • 年月日: 20090815-22
• [学会発表] Generalized-ensemble algorithms for protein structure predictions (2009)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto
  • 学会等名: [Keynote Talk] 2009 International Conference on Computational & Experimental Engineering and Sciences, ICCES'09
  • 発表場所: Phuket, Thailand
  • 年月日: 20090408-13
• [学会発表] Generalized-ensemble simulations of biomolecular systems (2009)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto
  • 学会等名: Korea-Japan Seminars on Biomolecular Sciences. Experiments and Simulations
  • 発表場所: Seoul, Korea
  • 年月日: 20090227-0302
• [学会発表] Protein structure predictions by generalized-ensemble simulations (2009)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto
  • 学会等名: Zing Conference on Nanobiophysics, Nanochemistry, Nanomedicine and Nanotoxicology
  • 発表場所: Antigua
  • 年月日: 20090121-25
• [図書] 「拡張アンサンブル法」,「計算科学講座」第9巻「超多自由度系の最適化」第2章 (2013)
  • 著者名/発表者名: 岡本祐幸
  • 総ページ数: 119-241
  • 出版者: 古橋武、笹井理生編、共立出版
• [図書] "Enhanced sampling algorithms," in Biomolecular Simulations: Methods and Protocols, L. Monticelli and E. Salonen (eds.) (2012)
  • 著者名/発表者名: A. Mitsutake, Y. Mori, and Y. Okamoto
  • 総ページ数: 153-195
  • 出版者: Humana Press, New York
• [図書] Generalized-ensemble algorithms for simulations of complex molecular systems," in Practical Aspects of Computational Chemistry II: An Overview of the Last Two Decades and Current Trends, J. Leszczynski and M.K. Shukla (eds.) (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Okumura, S.G. Itoh, and Y. Okamoto
  • 総ページ数: 69-101
  • 出版者: Generalized-ensemble algorithms for simulations of complex molecular systems," in Practical Aspects of Computational Chemistry II: An Overview of the Last Two Decades and Current Trends, J. Leszczynski and M.K. Shukla (eds.)