電子ダイナミクスに基づく生体分子触媒反応のシミュレーション

基于电子动力学的生物分子催化反应模拟

• 批准号: 19340108
• 负责人: BOERO Mauro
• 金额: $ 12.06万
• 依托单位: University of Tsukuba
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2007
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2007 至 2008
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-19340108/
• 关键词: QM; MMハイブリッド計算; シトクローム酸化酵素; 触媒反応; 電子構造; 酸素反応; 立体構造; 分子動力学計算; ハイブリッド計算; 第一原理分子動力学計算; タンパク質; RNA; 酵素反応; メタダイナミクス

本研究は,計算物理科学において現在飛躍的に発展中の,最先端の理論計算手法を駆使して,数万〜十万原子以上より構成される巨大な生体高分子系を,現実の系と同様,溶液における存在環境の中で,量子力学(QM)および古典理論(MM)を組み合わせて用いることにより,QM/MMハイブリッド・シミュレーションを実現する。これによって,酵素触媒反応における反応経路を解明し,その活性化エネルギなどの基本的な物理量を明らかにする。またそれらの計算結果について,実験結果との比較・検証による構造生物学的な解析を精密に進めることにより,反応機構に内在する法則性を理論的に解明することを目的とする。昨年度の成果として,vander Waals相互作用に対する効率的な計算法の開発を推進したが,本年度はその飛躍的な発展がなされた。すなわち,従来は高度な量子力学計算(CCSD(T)など)を必要とした系に対しても,剛計算とほぼ同等の計算量で,CCSD(T)の精度に匹敵する計算精度を有する計算法へと発展させることに成功し,そのQM/MMハイブリッド計算システムへの実装も実現し左(印刷中)。これは今後,生体高分子の解析において,極めて重要な解析手法となる。本年度はさらに,タンパク質やRNAの酵素に対してQM畑分子動力学計算を実現し,その反応機構の詳細な解析をスタートした。プロテイン・スプライシングにおいては,その多段階反応の最初のステップに対して,反応経路および反応座標に対する探索を行い,その同定を進めた。これにより,ほぼ最適経路の同定に成功し,現在,第2ステップの反応へと解析を進めている段階にある。RNA酵素においても同様に,反応経路の探索と反応座標の同定が進行中であり,今後,これらの反応機構の全貌が解明されるものと期待される。

这项研究利用目前计算物理领域正在快速发展的尖端理论计算方法来模拟由数万到数十万个原子组成的巨大生物聚合物系统，与真实的QM/MM混合系统类似。通过在现有环境中结合量子力学（QM）和经典理论（MM）来实现模拟。通过此，我们将阐明酶催化反应的反应途径，并阐明其活化能等基本物理量。我们还旨在通过对这些计算结果进行精确的结构生物学分析，并与实验结果进行比较和验证，从理论上阐明反应机理的内在规律。去年我们推动了范德华相互作用高效计算方法的开发，今年我们取得了巨大的进展。换句话说，即使对于传统上需要高级量子力学计算的系统（CCSD（T）等），也可以以与刚性计算大致相同的计算量进行与CCSD（T）相当的计算精度的计算。将该方法开发成QM/MM混合计算系统，并在QM/MM混合计算系统中实现（正在印刷中）。这将成为未来生物聚合物分析中极其重要的分析方法。今年，我们还实现了蛋白质和RNA酶的QM场分子动力学计算，并开始详细分析其反应机制。在蛋白质剪接中，我们寻找多步反应第一步的反应路径和反应坐标，并对其进行鉴定。结果，我们成功地确定了一条几乎最佳的途径，目前正在分析反应的第二步。同样，RNA酶反应途径的探索和反应坐标的识别也在进行中，预计这些反应机制的全貌将在未来得到阐明。

项目成果

分子ドッキングおよびQM/MM分子動力学シミュレーションによる酵素反応機構の理論的解析

利用分子对接和 QM/MM 分子动力学模拟对酶反应机制进行理论分析

• 发表时间: 2008
• 作者: Hagiwara; Y.; et al.
• 通讯作者: et al.

Novel mathematical formulation to describe steady state reactions in intracellular signaling network cascade

描述细胞内信号网络级联稳态反应的新颖数学公式

• 发表时间: 2008
• 作者: Nishimura; T.; et al.
• 通讯作者: et al.

シトクローム酸化酵素の機能発現機構の理論的解析

细胞色素氧化酶功能表达机制的理论分析

• 发表时间: 2007
• 作者: 舘野賢;神谷克也;白石賢二;押山淳;ボエロマウロ
• 通讯作者: ボエロマウロ

電子相関を露わに導入したQM/MMレプリカ・分子動力学計算法の開発

开发明确引入电子相关性的QM/MM复制分子动力学计算方法

• 发表时间: 2007
• 作者: 萩原陽介; 重田育照; 舘野賢
• 通讯作者: 舘野賢

情報科学および計算科学的手法を組み合わせたタンパク質間分子間ドッキング計算手法の開発

结合信息科学和计算科学方法开发蛋白质-蛋白质分子间对接计算方法

• 发表时间: 2007
• 作者: 橘田和志; 舘野賢
• 通讯作者: 舘野賢