タンパク質と溶媒分子の効果をあらわに取り入れた生体電子伝達系の理論的研究

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15570134
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 中村 春木 大阪大学, たんぱく質研究所, 教授 (80134485)
• 研究分担者: 高田 俊和 日本電気(株), 基礎研究所, 主席研究員 ; 中島 伸介 大阪大学, たんぱく質研究所, 助手 (60324852)
• キーワード: 量子化学計算 / 分子動力学計算 / 蛋白質の電子状態計算 / シミュレーション計算 / 局在化分子軌道 / リンク原子 / QM / MM-連成計算 / 分子計算アルゴリズム

研究概要

1)量子力学(QM)で取り扱う領域の電子状態計算において、古典力学(MM)で扱う周囲のタンパク質・溶媒の影響を高い精度で取り入れるため、QM/MM境界に対する新しいアルゴリズムを開発した。具体的には、QM/MM領域において共有結合が存在する場合、これまではQM領域端に水素原子等を仮に導入して飽和させたりしていたが、QM領域に不自然かつ余分な自由度を導入する極めて人工的な処理であり、またどの程度の近似となっているかが不明瞭であった。今回提案したアルゴリズムは、QM/MM領域の中間にさらに擬QM空間を導入し、その擬QM空間を局在化軌道(LO)で表して、QM-擬QM間の相互作用はLOによって正確にQM計算で取り扱い、擬QM領域はQMとMMの双方の計算で重みをつけながら実施し、擬QM-MM間とMM領域内部は全てMM計算で行う、というものである。LOはfrozen軌道とするが、LO以外の分子軌道の係数はSCFによって最適化されるので、精度が高い。また、擬QM領域端には飽和させるためのリンク原子が必要だが、この付近の擬QM領域はfrozen軌道で表現されるため起こりうる歪みは少ない。さらに擬QM領域端でMM領域に接する側の飽和には、擬QM領域端を、基底関数として原子価電子の軌道のみを持ちなおかつ全電子計算による電荷(Mulliken)を再現するような原子にすることで、不自然かつ余分な自由度の導入がない様に工夫した。
2)上記アルゴリズムを実現させるため、Boysのアルゴリズムを用いて局在化分子軌道計算プログラムを開発し、水分子ダイマーで検証した。
3)既に開発が行われている分子軌道法プログラム(AMOSS)および古典力学に基づく分子動力学計算プログラム(prestoX)を融合し、hybrid-QM/MM計算が稼働できるようにした。

研究成果

• [文献書誌] Kim, Jae Gil: "Dynamical origin of uniform sampling in multicanonical ensemble"Physical Review E. vol.67,No.1. 11105 (2003)
• [文献書誌] Kinoshita, Kengo: "Protein informatics towards function identification"Current Opinion of Structural Biology. vol.13 No.3. 396-400 (2003)
• [文献書誌] Kim, Jae Gil: "Determination of multicanonical weight based on stochastic model of sampling dynamics"Physical Review E. vol.68, No.2. 21110 (2003)
• [文献書誌] Fukunishi, Yoshifumi: "The filling potential method : a method for estimating the free energy surface for protein-ligand docking"Journal of Physical Chemistry. vol.107 No.47. 13201-13210 (2003)
• [文献書誌] Fukuda, Ikuo: "Deterministic generation of the Boltzmann-Gibbs distribution and the free energy calculation form the Tsallis distribution"Chemical Physics Letters. vol.382 No.3-4. 367-373 (2003)
• [文献書誌] Matsuda, Tomoki: "CAD-ICAD complex structure derived from saturation transfer experiment and simulated annealing without using pairwise NOE information"Journal of Molecular Recognition. vol.17 No.1. 41-50 (2004)