蛋白質の遅い揺らぎを捉えるための粗視化モデル

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14780506
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 高野 光則 東京大学, 大学院・総合文化研究科, 助手 (40313168)
• キーワード: 蛋白質 / 揺らぎ / 分子機能 / 動力学 / シミュレーション / 粗視化モデル / 計算機実験 / 理論

研究概要

従来の分子動力学計算では扱いが困難な蛋白質分子の分子機能に関わるミリ秒オーダーの「遅い揺らぎ」を計算機シミュレーションで捉えるため、計算量の軽減、および遅い揺らぎを規定している主要因子が何であるか、という二点を念頭において、粗視化モデルの構築、およびその実用性、妥当性を調べる基礎研究を行った。
初めにBPTI、RNaseT1等、数種の小型モデル蛋白質の高精度全原子モデル分子動力学計算を行い、得られた原子揺らぎを主成分解析することによって、蛋白質の運動様式を特徴づけ、粗視化モデル動力学計算結果のfidelity検証の指標とした。粗視化モデルには純粋弾性体モデル、主鎖骨格モデル、アミノ酸配列情報も考慮した主鎖骨格モデル、の3つを用いた。結果、所要計算時間に関しては、粗視化モデルの使用によって全原子モデルに比べ6桁程度の高速化が実現された。また、大きな分子揺らぎを示す主成分軸の「方向」に関して、全原子モデルと粗視化モデルとの間に高い類似性が見出され、この類似性は粗視化モデルの詳細には大きく依存しないことが分かった。このことは、天然構造ダイナミクスに最も重要な協調的分子運動(長時間ダイナミクス)の運動様式(特に方向性)が、蛋白質モデルの詳細に依存しないロバストな物性であることを示しており、同時に、それが蛋白分子のglobalな形状で決まっていることも示唆する。
上記粗視化モデル計算のfidelity検証と密接に関連する研究として、helix-coil転移における1次元Isingモデル理論とその全原子モデル計算との直接比較、3次元立方格子モデルのfoldingダイナミクス計算のfidelity検証、およびDNA計算を利用した粗視化レベルでの蛋白質設計の理論研究もあわせて行った。

研究成果

• [文献書誌] Mitsunori Takano: "Investigating a link between all-atom model simulation and the Ising-based theory on the helix-coil transition : Non-stationary property"Journal of Chemical Physics. (発表予定). (2003)
• [文献書誌] Mitsunori Takano: "Helix-coil kinetics : Where all-atom simulations, Ising-based theories and experiments meet"Protein Science. (発表予定). (2003)
• [文献書誌] Hironori K.Nakamura: "Temperature dependent mechanisms of folding processes in a simple model of protein"Protein Science. (発表予定). (2003)
• [文献書誌] John A.Rose: "A DNA computing-based genetic program for in vitro protein evolution via constrained pseudo-module shuffling"Journal of Genetic Programming and Evolvable Machines. (7月号に発表予定). (2003)
• [文献書誌] Mitsunori Takano: "Robustness of protein structural fluctuation observed in computational models"Proceedings of the 3^<rd> Annual Meeting of Chem-Bio Informatics Society. 113-114 (2002)
• [文献書誌] John A.Rose: "A PNA-mediated whiplash PCR-based program for in vitro protein evolution"Preliminary Proceedings of the 8^<th> International Meeting on DNA Based Computers (M.Hagiya and A.Ohuchi Eds.). 5-18 (2002)