平成18（2006）年度　一般研究１実施報告書

課題番号	18−共研−1011	専門分類	7
研究課題名	ProteinDFによるタンパク質全電子計算と統計解析の研究
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	助教授
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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。本プログラムは、Gauss型基底関数展開に基づいた密度汎関数法による、世界初のタンパク質全電子計算が可能なプログラムである。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
　ProteinDFをベースにした第一原理分子動力学計算を行っている。また、反応に関与するトラジェクトリーを効率よく探索するための統計的手法を検討している。最終的に得られたトラジェクトリーについては統計的な手法に基づいて解析を行い、熱力学的物理量について検討している。
(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
　系統的にタンパク質を選出し、それらの全電子計算または構造最適化計算を行い、新規データベースの構築を行っている。大量の波動関数データの解析には、統計的手法に基づく新規プログラムの開発が必須である。さらには本システムと既存のバイオインフォマティクスシステムとの連携を目指している。
　これまでの成果は以下の通りである。
(i)タンパク質構造最適化に必要な機能の実装とテスト計算を行った。サイズが大きい分子の電子構造はエネルギーギャップが小さく、SCF計算が不安定になりやすい。SCF計算が不安定になる原因として、コーン・シャム行列の生成に用いるアルゴリズムの精度があまりよくないことが考えられる。今回は交換相関項の計算アルゴリズムについて改良を行った。グリッド数値積分は、動径方向についてはLogスケーリング関数と組み合わせたEuler-Maclaurin求積法を用い、角度方向にはGauss-Legendre求積法を使用した。これにより、HeやNeなどの単原子分子の電子密度の積分は10-10程度と高精度であり、多原子分子においても10-4程度の精度を得ることが可能になった。テスト計算には、交換相関汎関数としてSVWNとB3LYPを用い、構造最適化のアルゴリズムには準ニュートン法を使用した。B3LYPとSVWN5ともに良好にエネルギーが減少することが確認され、構造最適化に成功した。
(ii)本年度はタンパク質全電子計算の精度向上と効率化を図った。これまでProteinDFはSVWNなどの局所密度近似汎関数を中心に、タンパク質全電子カノニカル波動関数計算をサポートしてきた。近年、一般分子の密度汎関数計算では、ハートリー・フォック(HF)交換項や非局所密度近似補正も組み合わせたハイブリッド汎関数が使用されており、なかでもB3LYPハイブリッド汎関数は数多く実験結果と比較が行われ、その高精度の結果から業界標準となっている。そこで、ProteinDFにおいてハイブリッド汎関数を利用可能にするため、本年度はこのハイブリッド汎関数の調査・実装を行った。2電子積分計算はObara-Saikaの積分公式を用いて実装し、コーン・シャム行列生成アルゴリズムはRT-並列アルゴリズムを実装した。また、効率よくタンパク質の全電子計算を達成するためには、精度の高い初期値が求められる。これまで独自に擬カノニカル局在化軌道（Quasi-Canonical Localized Orbital : QCLO）を開発してきた。タンパク質に働く静電相互作用、水素結合、疎水性相互作用などの相互作用は、その高次構造の保持に大きく寄与していることが知られている。本年度は、これらの相互作用を取り込むことにより、さらに効果的にQCLOによる初期値が作成できることを確認した。さらに計算化学的手法により、静電相互作用や水素結合など相互作用の評価方法を開発した。

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】
1. “Development of parallel density functional program using distributed matrix to calculate all-electron canonical wavefunction of large molecules”, T. Inaba and F. Sato, J. Comp. Chem., 28 (2006), p. 984.
2. “Density functional calculation of the electronic structure on insulin hexamer”, T. Inaba, N. Tsunekawa, T. Hirano, T. Yoshihiro, H. Kashiwagi and F. Sato, Chem. Phys. Lett., 434 (2007), p. 331.

【学会発表】
1. “Study of the Quasi-Canonical Localized Orbital (QCLO) Method Based on Protein Structures”, N. Nishino, T. Hirano, T. Nishimura, S. Koike and F. Sato, International conference on Microtechnologies in Medicine and Biology, (2006).
2. “All-electron calculation of protein using the structure-based quasi-canonical localized orbital method”, T. Hirano, N. Nishino and F. Sato, XIIth International Congress of Quantum Chemistry, (2006).
3. “All-Electron Based Simulation System for Protein Reaction”, F. Sato, T. Hirano, N. Ihara, Y. Nishimura, N. Nishino, N. Tsunekawa, T. Yoshihiro, H. Kashiwagi, S. Koike, T. Nishimura, M. Sato, H. Koike and T. Inaba, XIIth International Congress of Quantum Chemistry, (2006).
4. “擬カノニカル局在化軌道(QCLO)法によるタンパク質全電子計算と相互作用解析”, 西野 典子，平野 敏行，佐藤 文俊, 分子構造総合討論会2006 (2006).
5. “擬カノニカル局在化軌道を用いた部分シミュレーション法の研究”, 井原直樹, 佐藤文俊, 分子構造総合討論会2006 (2006).
6. “分子動力学法によるインスリン分子のダイナミックスの解析”, 恒川直樹, 伊藤宏比古, 佐藤文俊, 分子構造総合討論会2006 (2006).
7. “ヒトインスリン二量体の安定性に対する水溶媒の寄与”, 恒川直樹, 伊藤宏比古, 佐藤文俊, 第20回分子シミュレーション討論会 (2006).
8. “ヒトインスリンアナログのダイナミクスの解析”, 伊藤宏比古, 恒川直樹, 佐藤文俊, 第20回分子シミュレーション討論会 (2006).

【ホームページ】
・ http://www.rss21.iis.u-tokyo.ac.jp/
・ http://satolab.iis.u-tokyo.ac.jp/

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研究参加者一覧
氏名	所属機関
井原　直樹	東京大学
恒川　直樹	東京大学
西野　典子	東京大学
平野　敏行	東京大学