拡張アンサンブル法による蛋白質折り畳み機構の研究

2006 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15076213
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 岡本 祐幸 名古屋大学, 大学院理学研究科, 教授 (70185487)
• 研究分担者: 奥村 久士 名古屋大学, 大学院理学研究科, 特任講師 (80360337)
• キーワード: タンパク質の折り畳み / 計算機シミュレーション / モンテカルロ法 / 分子動力学法 / 拡張アンサンブル法 / マルチカノニカル法 / レプリカ交換法 / マルチバーリック法

研究概要

水分子と蛋白質の原子レベルの詳細を取り入れた分子シミュレーションによって、ランダムな初期構造から自然の立体構造までの折り畳みを実現した例として、プロテインGのC末端のβヘアピン(Gペプチド)の折り畳みに成功した。マルチカノニカルレプリカ交換法により、3回の独立な折り畳み現象を観測したまた、蛋白質系の分子動力学シミュレーションでは、膨大な計算時間が必要とされるので、拡張アンサンブル法の適用が必須であるが、更に、シミュレーションの時間ステップ大きく取ることができれば、それだけ長時間にわたる蛋白質の振る舞いが議論できる。しかし、時間ステップを大きく取ると、シミュレーション誤差が無視できなくなってしまうという困難がある。時間ステップを大きく取っても、誤差を低く抑えるには、分子動力学法の時間発展法にシンプレクティックなものを採用すれば良い。特に、生体系のシミュレーションでは、水分子や蛋白質の一部を剛体として扱う場合が多い。我々は剛体を含む系のシンプレクティックな時間発展抹を提案した。これは、能勢-ポアンカレの熱浴を用いるものであり、従来の手法より、シミュレーション誤差が小さく抑えられる事を示した。特に、水溶液の系で時間ステップと4fsまで大きくとっても安定した振る舞いが得られる事を示した。少し前に我々は新しい拡張アンサンブル法であるマルチバーリック・マルチサーマル法を開発したが、この手法では、一回のシミュレーションから任意の温度及び圧力における熱力学量が計算できるので、蛋白質の高圧変性の研究に特に適している。我々は水中のアラニンジペプチドの高圧実験の系にこの手法を適用し、部分モルエンタルピーや部分モル体積が実験値とよく一致することを示した。

研究成果

• [雑誌論文] Cooperative folding mechanism of a β-hairpin peptide studied by a multicanonical replica-exchange molecular dynamics simulation (2007)
  • 著者名/発表者名: T.Yoda, Y.Sugita, Y Okamoto
  • 雑誌名: PROTEINS : Structure, Function, and Bioinformatics 66 ページ: 846-859
• [雑誌論文] Generalized-ensemble algorithms for molecular dynamics simulations (2007)
  • 著者名/発表者名: S.G.Itoh, H.Okumura, Y.Okamoto
  • 雑誌名: Molecular Simulation 33 ページ: 47-56
• [雑誌論文] A new generalized-ensemble algorithm : multicanonical-multioverlap algorithm (2007)
  • 著者名/発表者名: S.G.Itoh, Y.Okamoto
  • 雑誌名: Molecular Simulation 33 ページ: 83-90
• [雑誌論文] Multibaric-multithermal molecular dynamics simulation : generalized Nose-Poincare-Andersen method (2007)
  • 著者名/発表者名: H.Okumura, Y.Okamoto
  • 雑誌名: Molecular Simulation 33 ページ: 91-96
• [雑誌論文] Replica-exchange moleculr dynamics simulation of diffracted X-ray tracking (2007)
  • 著者名/発表者名: Y.Kawashima, Y.C.Sasaki, Y.Sugita, T.Yoda, Y.Okamoto
  • 雑誌名: Molecular Simulation 33 ページ: 97-102
• [雑誌論文] Explicit symplectic integrators of molecular dynamics algorithms for rigid-body molecules in the canonical, isobaric-isothermal, and related ensembles (2007)
  • 著者名/発表者名: H.Okumura, S.G.Itoh, Y.Okamoto
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 126 ページ: 084103 (17)
• [雑誌論文] Residual entropy of ordinary ice from multicanonical simulations (2007)
  • 著者名/発表者名: B.A.Berg, C.Muguruma, Y.Okamoto
  • 雑誌名: Physical Review B 75 ページ: 092202 (4)
• [雑誌論文] Theoretical studies of transition states by the multioverlap molecular dynamics methods (2006)
  • 著者名/発表者名: S.G.Itoh, Y.Okamoto
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 124 ページ: 104103 (14)
• [雑誌論文] Secondary-structure design of proteins by a backbone torsion energy (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Sakae, Y.Okamoto
  • 雑誌名: Journal of Physical Society of Japan 75 ページ: 054802 (9)
• [雑誌論文] 生体系における大規模分子シミュレーション (2006)
  • 著者名/発表者名: 岡本祐幸
  • 雑誌名: 応用数理 16 ページ: 15-19
• [雑誌論文] Replica-exchange methods and predictions of helix configuration of membrane proteins (2006)
  • 著者名/発表者名: H.Kokubo, Y.Okamoto
  • 雑誌名: Molecular Simulation 32 ページ: 791-801
• [雑誌論文] 拡張アンサンブル法による膜タンパク質の立体構造予測 (2006)
  • 著者名/発表者名: 小久保裕功, 岡本祐幸
  • 雑誌名: 統計数理 54 ページ: 211-222