リゾチーム-基質複合体のab initio MO計算と分子認識機構の解析

本研究は、リゾチーム(アミノ酸残基数129)とグリコペプチド複合体の電子状態計算を行い、タンパク質と基質間の相互作用を解析することにより、分子認識機構に関して電子状態レベルの知見を得ることを目的とする。このよな巨大な系のab initio MO計算を行うことは現在のところ非常に困難であるが、我々が開発したフラグメントMO(FMO)法を用いることで容易に計算できる。しかし、そのためにはすでに開発していたFMO計算のプログラム(Gaussian94にFMO法を組み込んだもの)を、並列計算できるように拡張する必要がある。このため、2年計画の初年度の研究として、PCクラスター(48台構成)を用いたFMO法の並列計算システムを開発した。このシステムでリゾチームのテスト計算(HF/STO-3G)を行い、プログラムの性能評価を行ったところ、約2時間で計算できた。さらに、構造最適化計算を行うために不可欠である解析的エネルギー微分のプログラムもあわせて開発した。現在、テスト計算としてcrambin(46残基のタンパク質)の構造最適化計算を行い、よりいっそうの高速化を目指して、プログラムとPCクラスターのチューニングを行っている。一方、タンパク質の構造を電子状態レベルで理解する助けとなる、タンパク質中のアミノ酸残基間の相互作用を解析する方法を考案し、プログラムに組み込んだ。この方法によりモデルポリペプチドであるグリシン10量体の最適化構造での解析を行い、たとえば、水素結合を形成しているIとI+4番目の残基間で相互作用エネルギーは約-4kcal/mol(HF/STO-3Gレベル)になるという妥当な結果を得ており、残基間相互作用の解析に有用な方法であることを確認した。これらの成果のもとに、次年度にリゾチームと基質複合体の計算と分子内・分子間相互作用の解析を行う予定である。

本研究は、リゾチーム(アミノ酸残基数129)とグリコペプチド複合体の電子状態計算を行い、タンパク質と基質間の相互作用を解析することにより、分子認識機構に関して電子状態レベルの知見を得ることを目的とする。このよな巨大な系のab initio MO計算を行うことは現在のところ非常に困難であるが、我々が開発したフラグメントMO(FMO)法を用いることで容易に計算できる。しかし、そのためにはすでに開発していたFMO計算のプログラム(Gaussian94にFMO法を組み込んだもの)を、並列計算できるように拡張する必要がある。このため、2年計画の初年度の研究として、PCクラスター(48台構成)を用いたFMO法の並列計算システムを開発した。このシステムでリゾチームのテスト計算(HF/STO-3G)を行い、プログラムの性能評価を行ったところ、約2時間で計算できた。さらに、構造最適化計算を行うために不可欠である解析的エネルギー微分のプログラムもあわせて開発した。現在、テスト計算としてcrambin(46残基のタンパク質)の構造最適化計算を行い、よりいっそうの高速化を目指して、プログラムとPCクラスターのチューニングを行っている。一方、タンパク質の構造を電子状態レベルで理解する助けとなる、タンパク質中のアミノ酸残基間の相互作用を解析する方法を考案し、プログラムに組み込んだ。この方法によりモデルポリペプチドであるグリシン10量体の最適化構造での解析を行い、たとえば、水素結合を形成しているIとI+4番目の残基間で相互作用エネルギーは約-4kcal/mol(HF/STO-3Gレベル)になるという妥当な結果を得ており、残基間相互作用の解析に有用な方法であることを確認した。これらの成果のもとに、次年度にリゾチームと基質複合体の計算と分子内・分子間相互作用の解析を行う予定である。