水素・プロトンまでを含む蛋白質原子モデルの量子化学計算による構築法の開発

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本研究の解析手法では可能性ある構造すべてに対して量子化学計算を実行することが必須である。量子化学計算は律速となる部分であるが、これまでB3LYP/6-31G(d)レベルの密度汎関数法(DFT)での水素・プロトン位置の最適化をまず最初に実行していた。この基底関数系の選択理由は6-31G(d)はDFTにおいて一般的であることと、よりプアーなSTO-3Gなどでは電子状態計算の収束がより困難であるという研究者個人の経験則である。本年度はこの経験則を確認して、より計算リソースが少なく迅速にかつ堅牢に計算が進められるよう、領域分割を行い異なる基底関数系を設定したDFT計算の有効性を確認した。具体的には、カルシウムポンプE2状態の膜領域イオン結合サイト近傍での２２の可能性ある水素・プロトンの位置のモデル（水素結合ネットワークモデル）について、STO-3Gと6-31G(d)の両者での最適化計算を実行した。その結果、6-31G(d)では全て収束したが、STO-3Gでは６個のモデルで電子状態計算が収束に至らなかった。別に２個のモデルでは構造最適化は収束の気配が無く断念した。勿論、パラメータなどの変更で収束の可能性は残るが、網羅的計算において致命的である。また、6-31G(d)では全て成功したことから、次のような推測した。STO-3Gでは水素結合ネットワークの違いに対して計算の堅牢性は揺らぎ、様々な水素結合の電子状態の再現に不十分であるが、6-31G(d)ならば十分である。そこで、水素結合に関わる領域は6-31G(d)で、その他はSTO-3GでDFT計算を実行してみた。その結果、全て電子状態計算は収束し、水素・プロトンの位置の最適化を実行することができた。かつ、計算時間はほぼ半分となった。基底関数の数も６割ほどに抑えられた。以上のことから、開発しているツールの有効性の改善が出来た。