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2016 年度 実績報告書

拡張アンサンブル法による蛋白質への小分子結合機構の研究

研究課題

研究課題/領域番号 25247071
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) 2013-04-01 – 2018-03-31
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 / 量子効果
研究実績の概要

本研究において、レプリカ交換傘サンプル法と呼ばれる拡張アンサンブル法に基づく、小分子のドッキング手法を開発し、その有効性を確かめてきたが、これまでは、古典力学に基づいた計算を行ってきた。しかし、小分子がターゲット蛋白質と合体する部分は、量子力学に基づく計算が必要になる場合があるわけで、レプリカ交換傘サンプル法と量子力学計算を合体させる必要があった。本年、量子力学と拡張アンサンブル法の合体に挑戦し、DFTBと呼ばれる量子力学計算量子力学計算に2つの拡張アンサンブル法(レプリカ交換分子動力学法とレプリカ交換傘サンプル法)を組み込むことに成功した。そして、マロンアルデヒドのプロトン移動に関する自由エネルギー障壁を計算した。そして、その結果はAMBERやCHARMMのプログラムによる結果と比較し、良い一致が得られていることを確認した。また、アラニン10個のホモオリゴマーの折り畳みシミュレーションを実行して、αヘリックスができるかどうかを調べたが、量子力学計算の精度が低い場合は、3-10ヘリックスが形成され、量子力学計算の精度を上げるとαヘリックス構造が形成されることが確認できた。既に、量子力学計算とレプリカ交換傘サンプル法を合体させた手法によって、4つのフタロニトリルから1つのフタロシアニンの生成する拡張アンサンブルシミュレーションに成功しており、蛋白質への小分子の結合に関する精度の高い計算を行う準備が完成した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

これまで開発してきた拡張アンサンブル法は、主に古典力学に基づいたシミュレーションに適用してきたが、今回、量子力学に基づいたシミュレーションにも、拡張アンサンブル法を適用できるようになったことは、より精度の高い計算を可能にした訳であり、おおむね順調に進展していると言える。

今後の研究の推進方策

手法はほぼ完成したので、本研究で開発した手法を、後生的発現(エピジェネティクス)に関する、ヒストン脱アセチル化酵素やヒストン脱メチル化酵素への阻害剤候補分子の結合シミュレーションを実行し、精度の高い自由エネルギー計算を実行して、実験結果を比較する。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 2件、 査読あり 2件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 6件、 招待講演 6件)

  • [雑誌論文] Implementation of replica-exchange umbrella sampling in the DFTB+ semiempirical quantum chemistry package2016

    • 著者名/発表者名
      S. Ito, S. Irle, and Y. Okamoto
    • 雑誌名

      Computer Physics Communications

      巻: 204 ページ: 1-10

    • DOI

      10.1016/j.cpc.2016.02.010

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Modeling 15N NMR chemical shift changes in protein backbone with pressure2016

    • 著者名/発表者名
      G. La Penna, Y. Mori, R. Kitahara, K. Akasaka, and Y. Okamoto
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Physics

      巻: 145 ページ: 085104

    • DOI

      10.1063/1.4961507

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] QM/MM free energy simulations: recent progress and challenges2016

    • 著者名/発表者名
      X. Lu, D. Fang, S. Ito, Y. Okamoto, V. Ovchinnikov, and Q. Cui
    • 雑誌名

      Molecular Simulation

      巻: 42 ページ: 1056-1078

    • DOI

      10.1080/08927022.2015.1132317

  • [学会発表] Generalized-ensemble algorithms: enhanced conformational sampling methods2017

    • 著者名/発表者名
      Yuko OKAMOTO
    • 学会等名
      The 16th KIAS Protein Folding Winter School
    • 発表場所
      High 1 Resort, Korea
    • 年月日
      2017-01-16 – 2017-01-20
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Enhanced sampling methods for classical and quantum molecular simulations2016

    • 著者名/発表者名
      Yuko OKAMOTO
    • 学会等名
      The 9th Korea-Japan Seminars on Biomolecular Sciences: Experiments and Simulations
    • 発表場所
      Gyeongju, Korea
    • 年月日
      2016-11-14 – 2016-11-16
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Generalized-ensemble algorithms for classical and quantum molecular simulations (Plenary talk)2016

    • 著者名/発表者名
      Yuko OKAMOTO
    • 学会等名
      The 4th International Conference on Molecular Simulation (ICMS2016)
    • 発表場所
      Shanghai, China
    • 年月日
      2016-10-23 – 2016-10-26
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Generalized-ensemble algorithms and free energy calculations2016

    • 著者名/発表者名
      Yuko OKAMOTO
    • 学会等名
      Symposium “Free Energy Landscape of Protein Folding and Dynamics by Simulations Based on Enhanced Conformational Sampling Algorithms”
    • 発表場所
      Nagoya, Japan
    • 年月日
      2016-08-06
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Energy landscape explored by generalized-ensemble algorithms2016

    • 著者名/発表者名
      Yuko OKAMOTO
    • 学会等名
      Energy Landscapes: Theory and Applications (ELAND 2016)
    • 発表場所
      Porquerolles, France
    • 年月日
      2016-06-27 – 2016-07-03
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Introduction to Generalized-Ensemble MD Simulations Including the Replica-Exchange Umbrella Sampling (REUS) Method2016

    • 著者名/発表者名
      Yuko OKAMOTO
    • 学会等名
      2-Day Mini Workshop: Approximate DFT Methods for Extended Systems
    • 発表場所
      Nagoya, Japan
    • 年月日
      2016-06-20 – 2016-06-21
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2018-01-16  

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