超分子自己組織化系の構造予測のための計算手法開発と分子設計への応用

预测超分子自组装系统结构的计算方法的发展及其在分子设计中的应用

基本信息

批准号：
19K05385
负责人：
山本武志
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

分子集合系と超分子構造のより高効率な統計サンプリング法の研究を行った。タンパク質などの生体分子では、配座の統計サンプリングの手法が幅広く研究されている。しかしこれらの手法はタンパク質特有の性質を利用している場合が多く(バックボーン構造を集団自由度として用いるなど)、モノマーが離散・集合出来る系ではサンプリンク効率を上げるための工夫を別途行う必要がある。また、モノマー同士の原子レベルでの相互作用パターンが最終構造を決めるため、水素結合などの効果を十分考慮する必要がある。この目的のため、これまでの研究では全原子モデルに基づくREST法(レプリカ交換法の一種)を用いていたが、系全体をそのまま取り扱う場合、系に含まれる自己組織化分子の数やサイズとともにレプリカ数が増大するため、調べられる系が限定される問題があった。これに対処するため、分割統治に基づいてモノマーが超分子を形成していく過程を段階的にシミュレートする方法を考え、典型的な超分子ポリマーに適用し、REST法とほぼ同じ超分子構造がより低い計算コストで得られることを示した。自己組織化系に対するレプリカ交換法の応用では、レプリカの最大温度をモノマーの解離限界付近まで上げることが重要になるが、高温側で系の相転移的な挙動により計算効率が大きく下がる問題があったため、これに対処するための研究を行った。さらに、レプリカ法とは相補的な方法として、構造形成に関わる重要な集団座標をサンプリングデータから抽出し、それを通じてサンプリングを加速する方法の研究や、系のエネルギー関数を一時的によりなめらかにすることで分子運動の摩擦を減らし、系の構造変化を加速させるための研究を行った。

我们对分子组装系统和超分子结构进行更有效的统计抽样方法进行了研究。在诸如蛋白质之类的生物分子中，已经对统计构象采样技术进行了广泛的研究。但是，这些方法通常利用蛋白质特异性的特性（例如将骨干结构用作集体自由度），并且在可以离散和汇总的系统中，有必要实施单独的努力来提高样品链接效率。此外，由于原子水平的单体之间的相互作用模式决定了最终结构，因此有必要充分考虑诸如氢键之类的效果。为此，以前的研究使用了基于全原子模型的REST方法（一种复制交换方法），但是当按原样处理整个系统时，随着系统中包含的自组装分子的数量和大小，复制品的数量增加，从而导致可以检查的系统受到限制的系统。为了解决这个问题，我们提出了一种模拟逐步模拟基于分裂和征服的超分子的单体过程的方法，并将其应用于典型的超分子聚合物，表明可以以较低的计算成本获得大致相同的超分子结构。在用于自组装系统的副本交换方法中，重要的是要将复制品的最高温度提高到单体最接近的解离极限，但问题是该系统在高温方面的相变行为大大降低了计算效率，并进行了研究以解决这一问题。此外，作为复制方法的一种互补方法，我们研究了从采样数据中提取与结构形成相关的重要种群坐标并通过此方法加速采样的方法，并进行了研究，以减少分子运动中的摩擦，并通过暂时平滑系统的能量功能来加速系统中的结构变化。