平成22（2010）年度　一般研究１実施報告書

課題番号	22−共研−1018	分野分類		統計数理研究所内分野分類		h
				主要研究分野分類		3
研究課題名	バイオ・ナノ分子電子状態の統計化学に関する研究
フリガナ 代表者氏名	サトウ　フミトシ 佐藤　文俊		ローマ字		Fumitoshi Sato
所属機関	東京大学
所属部局	生産技術研究所
職　　名	教授

研究目的と成果（経過）の概要

我々は、タンパク質のための密度汎関数(DF)法プログラムProteinDFを基に、タンパク質の統合的な量子化学計算シミュレーションシステムの開発を行っている。本研究では、活性中心近傍における生体触媒反応をはじめとする量子論に基づくタンパク質の反応・機能解析を行うことを目的とし、現在以下の研究に注力している。
(i) タンパク質第一原理ダイナミクスとその統計処理の研究
(ii) タンパク質波動関数データベース作成と統計処理の研究
　本年度の成果は以下の通りであった。
(i) 第一原理自由エネルギー解析を行う上で、ab initio MDやDFT-MDシミュレーションは率直な手法であるが、タンパク質系ではスーパーコンピュータでも十分なサンプリングは期待できない。本研究では、新たな第一原理自由エネルギー計算手法を開発し、その正当性および有効性を確認した。新手法では3段階の処理を行った。コンフォメーションのサンプリング、第一原理エネルギー計算、そしてreweighting法による集計処理である。検証として、数種のペプチド分子を用い、1,024,000コンフォメーションに対しHF/6-31G*レベルの電子状態計算を行った。高温域では従来の分子力場と第一原理的力場との違いはあまりなく、低温域では、第一原理的力場の方がコンフォメーションを遷移しづらいという結果となった。
(ii) ProteinDFのMPI-OpenMPハイブリッド並列を強化した。通信中も分子積分・数値積分の演算を行うために、通信・制御用スレッドと演算用スレッドをOpenMPにより作成し、SMP並列計算機で効率的に作動するように実装した。また複雑な電子状態を取り得るシトクロムc3の電子状態計算する手法の研究を行った。これにより、複雑な金属タンパク質の効率良く高速な全電子計算が可能となった。これらの計算結果はDBに登録し、構造・モデル化学などの面から波動関数のモチーフを見出したいと考えている。

当該研究に関する情報源（論文発表、学会発表、プレプリント、ホームページ等）

【論文発表】
? 石川健太郎, 平野敏行, 佐藤文俊 , “タンパク質全電子計算におけるモデル化学に関する研究”, 生産研究, 62, (2010), 91-98.
? T. Hirano, F. Sato, "Recommendation of All-Electron Calculation in the Theoretical Study of Polypeptides", Peptide Science 2009, (2010).
【学会発表】
? 平野 敏行, 佐藤 文俊, "ProteinDFを用いた光合成反応中心タンパク質の電子状態計算", 日本農芸化学会, 日本農芸化学会2010年度大会, 東京大学 (東京).
? 佐藤文俊, 千葉貢治, 阿部敏彦, 上村典子, 下向智美, 恒川直樹, 西村康幸, 松田潤一, 石川健太郎, 平野敏行, "密度汎関数法によるバイオ・ナノ分子特性 シミュレータの開発", 日本農芸化学会, 日本農芸化学会2010年度大会, 東京大学, (東京).
? 佐藤文俊, "全電子波動関数計算に基づく タンパク質の分子特性シミュレータの開発", 日本シミュレーション学会, 第29回 日本シミュレーション学会大会, 山形大学(米沢).
? 恒川直樹, 佐藤文俊, "生体分子の自由エネルギー計算におけるＭＭとＱＭとの相関について", 分子科学会, 第４回分子科学討論会, 大阪大学豊中キャンパス (大阪).
? 平野 敏行, 上村(西野) 典子, 佐藤 文俊, "還元型シトクロムc3の全電子密度汎関数計算", 分子科学会, 第４回分子科学討論会, 大阪大学豊中キャンパス(大阪).
? N. Tsunekawa, F. Sato, "Is it Possible to Couple QM and MM Hamiltonians for a Free Energy Calculation of Biomolecules?", Pacifichem2010, Honolulu, Hawaii, USA.
? T. Hirano, F. Sato, "Study of all-electron density functional calculation of photosynthesis reaction center", Pacifichem2010, Honolulu, Hawaii, USA.
【ホームページ】
? http://satolab.iis.u-tokyo.ac.jp/
? http://www.ciss.iis.u-tokyo.ac.jp/

研究会を開催した場合は、テーマ・日時・場所・参加者数を記入してください。

研究参加者一覧
氏名	所属機関
上村　典子	東京大学
千葉　貢治	東京大学
恒川　直樹	東京大学
西村　康幸	東京大学
平野　敏行	東京大学
松田　潤一	東京大学