平成21年度 地球シミュレータ利用報告会

フラグメント分子軌道法を用いた薬剤耐性メカニズムの解析

発表資料 (2.9MB)

1. プロジェクト名

フラグメント分子軌道法を用いた薬剤耐性メカニズムの解析

Theoretical study of drug resistance mechanism based on the fragment molecular orbital method

2. プロジェクト責任者名

田中 成典 (神戸大学大学院工学研究科)

Shigenori Tanaka

3. プロジェクトの目的

フラグメント分子軌道（FMO）法は、タンパク質などの生体高分子系の電子状態を高速かつ高精度に計算できる新しい第一原理的な手法である。本プロジェクトでは、特にインフルエンザウイルスの表面タンパク質であるヘマグルチニン（HA）とノイラミニダーゼ（NA）に着目し、それらのリガンド分子（抗体、糖鎖、阻害剤など）との複合体の量子化学計算を地球シミュレータを用いて高速に実行し、その計算結果からインフルエンザウイルスの変異特性や薬剤耐性メカニズムを理論的に説明あるいは予測する手法開発を行う。

4. 今年度当初の計画

すでに前年度までに、HAタンパク質単量体抗原抗体系の高速量子化学計算が、電子相関効果を考慮したFMO-MP2法を用いて行われており、その計算結果がHAの変異予測に使えることが示されている。今年度は、計算手法としてはMP2あるいは（今回新たに開発した）MP3法を用い、また基底関数依存性も考慮して、HA単量体および三量体抗原抗体系ならびにNA－阻害剤複合系に対する超並列計算を実現することを目指す。前者（三量体）は生体高分子系に対する世界最大規模（2300残基以上）の第一原理電子状態計算となる。

5. 研究計画に沿った利用状況度

2009年度まで行っていたJST-CRESTプロジェクトのまとめ作業との兼ね合いと、リプレースされた地球シミュレータ利用の経験が乏しかったせいもあって、利用のスタートが遅れたが、ようやく2009年末より本格利用を開始し、2009年度末に向けて許可されたノード時間の有効活用を予定している。

6. 今年度得られた成果、および達成度

成果

  • １）HA抗原抗体系（単量体および三量体）に対するFMO-MP2計算を行い、アミノ酸間あるいはドメイン間の相互作用解析を行った。
  • ２）NA－阻害剤複合系に対するFMO-MP2計算ならびに（新たに開発した）MP3計算を行い、阻害剤とNA内アミノ酸との間の相互作用解析を行った。

達成度

  • １）HA抗原抗体系（単量体および三量体）のFMO-MP2解析：30%
  • ２）NA－阻害剤複合系のFMO-MP2ならびにMP3解析：30%

8. 研究成果一覧 (投稿中の論文、予定講演の場合はその旨記載のこと)

a. 原著論文 (査読あり)

  • T. Fujita, H. Watanabe, and S. Tanaka, “Ab Initio Path Integral Molecular Dynamics Based on Fragment Molecular Orbital Method”, J. Phys. Soc. Jpn. 78, No. 10 (2009) 104723.
  • E.B. Starikov, G. Cuniberti, and S. Tanaka, “Conformation Dependence of DNA Exciton Parentage”, J. Phys. Chem. B 113 (2009) pp. 10428-10435.
  • K. Takematsu, K. Fukuzawa, K. Omagari, S. Nakajima, K. Nakajima, Y. Mochizuki, T. Nakano, H. Watanabe, and S. Tanaka, “Possibility of Mutation Prediction of Influenza Hemagglutinin by Combination of Hemadsorption Experiment and Quantum Chemical Calculation for Antibody Binding”, J. Phys. Chem. B 113 (2009) pp. 4991-4994.
  • T. Fujita, K. Fukuzawa, Y. Mochizuki, T. Nakano, and S. Tanaka, ”Accuracy of Fragmentation in Ab Initio Calculations of Hydrated Sodium”, Chem. Phys. Lett. 478 (2009) pp. 295-300.
  • K. Aoki, S. Tanaka, and T. Nakano, ”Molecular Geometry-Dependent Atomic Charge Calculation with Modified Charge Equilibration Method”, Chem-Bio Informatics J. 9 (2009) pp. 30-40.
  • A. Tagami, N. Ishibashi, D. Kato, N. Taguchi, Y. Mochizuki, H. Watanabe, M. Ito, and S. Tanaka, “Ab Initio Quantum-Chemical Study on Emission Spectra of Bioluminescent Luciferases by Fragment Molecular Orbital Method”, Chem. Phys. Lett. 472 (2009) pp. 118-123.
  • T. Nakamura, A. Yamaguchi, H. Kondo, H. Watanabe, T. Kurihara, N. Esaki, S. Hirono, and S. Tanaka, “Roles of K151 and D180 in L-2-Haloacid Dehalogenase from Pseudomonas sp. YL: Analysis by Molecular Dynamics and Ab Initio Fragment Molecular Orbital Calculations”, J. Comput. Chem. 30 (2009) pp. 2625-2634.
  • N. Taguchi, Y. Mochizuki, T. Nakano, S. Amari, K. Fukuzawa, T. Ishikawa, M. Sakurai, and S. Tanaka, “Fragment Molecular Orbital Calculations on Red Fluorescent Proteins (DsRed and mFruits)”, J. Phys. Chem. B 113 (2009) pp. 1153-1161.
  • Y. Okiyama, H. Watanabe, K. Fukuzawa, T. Nakano, Y. Mochizuki, T. Ishikawa, K. Ebina, and S. Tanaka, “Application of the Fragment Molecular Orbital Method for Determination of Atomic Charges on Polypeptides. II. Toward an Improvement of Force Fields Used for Classical Molecular Dynamics Simulations”, Chem. Phys. Lett. 467 (2009) pp. 417-423.
  • T. Watanabe, Y. Inadomi, H. Umeda, K. Fukuzawa, S. Tanaka, T. Nakano, and U. Nagashima, “Fragment Molecular Orbital (FMO) and FMO-MO Calculations of DNA: Accuracy Validation of Energy and Interfragment Interaction Energy”, J. Comput. Theor. Nanosci. 6 (2009) pp. 1328-1337.
  • M. Nakano, H. Watanabe, E.B. Starikov, S.M. Rothstein, and S. Tanaka, “Mutation Effects on Structural Stability of Polyglutamine Peptides by Molecular Dynamics Simulation”, Interdiscip. Sci. Comput. Life Sci. 1 (2009) pp. 21-29.
  • 栗崎以久男、渡邉博文、田中成典：「計算機シミュレーションを用いたRNA結合タンパク質PumilioのRNA結合様式の研究」、J. Comput. Chem. Jpn., 8 (2009) pp. 41-50.

b. 原著論文 (査読なし、および雑誌等寄稿)

  • K. Fukuzawa, Y. Mochizuki, T. Nakano, and S. Tanaka, ”Application of FMO Method to Specific Molecular Recognition of Bio-Macromolecules”, in "The Fragment Molecular Orbital Method: Practical Applications to Large Molecular Systems", edited by D.G. Fedorov and K. Kitaura (CRC Press, Boca Raton, U.S.A., 2009) Chap. 7, pp. 133-169.
  • Y. Mochizuki, T. Nakano, N. Taguchi, and S. Tanaka, ”Excited States of Photoactive Proteins by Configuration Interaction Studies”, in "The Fragment Molecular Orbital Method: Practical Applications to Large Molecular Systems ", edited by D.G. Fedorov and K. Kitaura (CRC Press, Boca Raton, U.S.A., 2009) Chap. 4, pp. 63-89.
  • T. Nakano, Y. Mochizuki, A. Kato, K. Fukuzawa, T. Ishikawa, S. Amari, I. Kurisaki, and S. Tanaka, “Developments of FMO Methodology and Graphical User Interface in ABINIT-MP”, in "The Fragment Molecular Orbital Method: Practical Applications to Large Molecular Systems ", edited by D.G. Fedorov and K. Kitaura (CRC Press, Boca Raton, U.S.A., 2009) Chap. 3, pp. 37-62.

c. 学会等発表 (ポスターセッションの場合はその旨記載)

口頭発表
  • 渡邉千鶴、渡邉博文、田中成典：「核内受容体における揺らぎと構造変化の線形応答理論解析」（日本物理学会第６４回年次大会、2009年3月、立教大学、東京）
  • 藤田貴敏、渡邉博文、田中成典：「フラグメント分子軌道法を用いた経路積分分子動力学法の開発」（日本物理学会第64回年次大会、2009年3月、立教大学、東京）
  • 竹松和友、福澤薫、尾曲克己、中島捷久、中島節子、望月祐志、中野達也、渡邉博文、田中成典：「赤血球凝集反応実験とフラグメント分子軌道法計算に基づくインフルエンザヘマグルチニンの変異予測」（第47回日本生物物理学会、2009年10月31日、アスティ徳島、徳島)
ポスター発表
  • T. Fujita, H. Watanabe, and S. Tanaka, "Ab Initio Quantum Simulation Based on Path Integral and Fragment Molecular Orbital Methods'' (International Symposium of Electronic Structure Calculations -Theory, Correlated and Large Scale Systems and Numerical Methods-, 2009年12月、東京大学、東京)
  • Kazutomo Takematsu, Kaori Fukuzawa, Katsuhisa Nakajima, Yuji Mochizuki, Tatsuya Nakano, and Shigenori Tanaka, “Possibility of the Prediction for Mutations of Influenza Hemagglutinin by a Combination of Ab Initio Molecular Simulation and Hemadsorption Experiment” (International Symposium of Electronic Structure Calculations -Theory, Correlated and Large Scale Systems and Numerical Methods-, December 7-8, 2009, The University Tokyo, Tokyo, Japan）
  • Hirofumi Watanabe, Tatsuya Nakano and Shigenori Tanaka, “Incorporation of solvation effect with Poisson-Boltzmann equation into FMO method” (CBI-KSBSB Joint Conference, BIOINFO 2009, November 4, 2009, Pusan, Korea)
  • 栗崎以久男、松本淳、由良敬、田中 成典：「RNA結合タンパク質における疎水表面を用いた塩基認識機構の検証：NOVA-RNA複合体系での研究」（日本生物物理学会第47回年会、 2009年10月、徳島)
  • 中野美紀、渡邉博文、田中成典：「レプリカ交換分子動力学法による単量体ポリグルタミンタンパクの特性研究（Characterization of monomeric polyglutamine peptides by replica exchange molecular dynamics simulation）」（第47回日本生物物理学会年会、2009年10月30日、アスティ徳島、徳島）
  • 竹松和友、福澤薫、尾曲克己、中島節子、中島捷久、望月祐志、中野達也、渡邉博文、田中成典：「赤血球凝集反応実験と量子化学計算に基づくインフルエンザウイルス・ヘマグルチニンの変異予測」（第12回理論化学討論会、2009年5月29日、東京大学、東京）
  • 渡邉博文、中野達也、田中成典：「Poisson-Boltzmann方程式によるFMO法への溶媒効果の取り込み」（日本コンピュータ化学会2009年春季年会、2009年5月22日、東京）
  • 中野美紀、渡邉博文、田中成典：「レプリカ交換MDによるポリグルタミンタンパクの構造解析（Conformation ensemble of polyglutamine peptide by replica exchange molecular dynamics）」（第9回日本蛋白質科学会年会、2009月5月20日、熊本全日空ホテル、熊本）
  • C. Watanabe, H. Watanabe, and S. Tanaka, “Relationship between Structural Fluctuation and Positions of Helix 12 in Nuclear Receptors Studied by Molecular Dynamics Simulation” （Supercomputing in Solid State Physics (SciSSP) 2009、2009年2月、東大物性研究所、柏）
  • 竹松和友、福澤薫、尾曲克巳、中島捷久、中島節子、中野達也、望月祐志、渡邉博文、田中成典：「赤血球凝集反応実験と量子化学計算に基づくインフルエンザウイルス・ヘマグルチニンの変異予測」（2009年1月、自然科学研究機構・岡崎コンファレンスセンター、岡崎）

d. 講演

  • S. Tanaka, “Ab Initio Biomolecular Simulations Based on the Fragment Molecular Orbital Method” (International Symposium of Electronic Structure Calculations – Theory, Correlated and Large Scale Systems and Numerical Methods –, December 9, 2009, The University of Tokyo, Tokyo, Japan).
  • 田中成典：「生体分子系の大規模第一原理シミュレーションに向けて」（第23回分子シミュレーション討論会、2009年12月1日、名古屋市中小企業振興会館、名古屋）
  • 田中成典：「タンパク質シミュレーションの拓く世界：インフルエンザウイルスの変異予測まで」（第７回地球シミュレータシンポジウム、2009年11月19日、日本科学未来館、東京）
  • 田中成典：「フラグメント分子軌道法による生体分子計算システムの開発」（独立行政法人科学技術振興機構（JST）「シミュレーション技術の革新と実用化基盤の構築」第5回シンポジウム、2009年10月28日、東京大学弥生講堂、東京）
  • 田中成典：「大規模シミュレーションによる生体反応の理解」（日本物理学会2009年秋季大会、2009年9月26日、熊本大学、熊本）
  • 田中成典：「生体高分子における分子認識と情報伝達―計算機シミュレーションの立場から」（第58回高分子討論会、2009年9月18日、熊本大学、熊本）
  • S. Tanaka, “Ab Initio Biomolecular Simulations Based on the Fragment Molecular Orbital Method” (September 11, 2009, Institute of Chemistry, Academia Sinica, Taipei, Taiwan).
  • S. Tanaka, “Ab Initio Biomolecular Simulations Based on the Fragment Molecular Orbital Method” (September 10, 2009, National Chiao Tung Tung University, Hsinchu, Taiwan).
  • S. Tanaka, “Understanding Protein Functions through First-Principles Molecular Simulations” (September 9, 2009, Institute of Atomic and Molecular Sciences, Academia Sinica, National Taiwan University, Taipei, Taiwan).
  • S. Tanaka, “Large-Scale Biomolecular Simulations Based on the Fragment Molecular Orbital Method” (CREST International Symposium on Theory and Simulations of Complex Molecular Systems, July 21, 2009, Fukui Institute for Fundamental Chemistry, Kyoto, Japan).
  • 田中成典：「大規模第一原理分子シミュレーションによるインフルエンザウイルスの理論解析」（第318回「医学研究の基礎を語り合う集い」、2009年7月8日、東京慈恵会医科大学、東京）
  • 田中成典：「生体分子系の大規模第一原理計算からインフルエンザウイルスの変異予測まで」（大阪大学サイバーメディアセンター・セミナー、2009年5月26日、大阪大学サイバーメディアセンター、豊中）
  • S. Tanaka, “Fragment Molecular Orbital Method for Large-Scale Biomolecular Systems” (International Conference on Computational & Experimental Engineering & Sciences 2009 (ICCES’09), April 9, 2009, Phuket, Thailand).

e. 新聞、雑誌での掲載記事

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