ハイブリッド型第一原理分子動力学法による生体内酵素反応の研究

本研究の実績は、次の2点に要約することが出来る。一つは、密度汎関数法にもとづく分子内QM/MM法を開発し、これを並列化したことである。もう一つは、ヒト免疫不全ウイルスのプロテアーゼ(HIV-1Pr)の反応の遷移状態を決定したことである。以下にそれぞれについて詳述する。(1)遷移状態の決定HIV1-Prのペプチド鎖解裂反応は2段階で進むとされている。我々は1、及び2段階目の反応の遷移状態をHF/3-21G^<**>レベルで構造最適化している。基質となるペプチド鎖のモデルとして、CH_3-CO-NH-CH_3を選択し、1対のAsp25の他に、Thr26とGly27のペプチド結合部を活性部位として扱った。現在のところ、1段階目の遷移状態の構造最適化が完了しており、この反応の活性部位のみのエネルギー障壁の高さは、24.8kcal/molであった。(2)分子内QM/MM法の開発QM/MM法のプログラム開発において、我々は、実空間の格子上で波動関数の値を計算する実空間グリッド法を導入した。この方法は、従来の原子基底や平面波基底に比べて計算精度が良い上に、並列計算も容易に行えるという利点がある。また、反応活性部位以外のMM領域は、Tinker Packageにより扱う。我々は、Link Atom法によりこれら二つの領域の力場を合成し、タンパク系のシミュレーションの実行が可能なプログラムを完成させた。また、QM系のほぼ全体、及びMM系の力の計算部分を並列化することに成功した。特にQM系の並列化においては、並列化効率を損なわないようにするために、HartreeポテンシャルをPoisson方程式を逐次的に解くことにより計算するなどの工夫をした。これにより、8CPUを使用した場合でも、量子化学計算において80%以上の並列化効率を実現することが可能になった。

本研究の実績は、次の2点に要約することが出来る。一つは、密度汎関数法にもとづく分子内QM/MM法を開発し、これを並列化したことである。もう一つは、ヒト免疫不全ウイルスのプロテアーゼ(HIV-1Pr)の反応の遷移状態を決定したことである。以下にそれぞれについて詳述する。(1)遷移状態の決定HIV1-Prのペプチド鎖解裂反応は2段階で進むとされている。我々は1、及び2段階目の反応の遷移状態をHF/3-21G^<**>レベルで構造最適化している。基質となるペプチド鎖のモデルとして、CH_3-CO-NH-CH_3を選択し、1対のAsp25の他に、Thr26とGly27のペプチド結合部を活性部位として扱った。現在のところ、1段階目の遷移状態の構造最適化が完了しており、この反応の活性部位のみのエネルギー障壁の高さは、24.8kcal/molであった。(2)分子内QM/MM法の開発QM/MM法のプログラム開発において、我々は、実空間の格子上で波動関数の値を計算する実空間グリッド法を導入した。この方法は、従来の原子基底や平面波基底に比べて計算精度が良い上に、並列計算も容易に行えるという利点がある。また、反応活性部位以外のMM領域は、Tinker Packageにより扱う。我々は、Link Atom法によりこれら二つの領域の力場を合成し、タンパク系のシミュレーションの実行が可能なプログラムを完成させた。また、QM系のほぼ全体、及びMM系の力の計算部分を並列化することに成功した。特にQM系の並列化においては、並列化効率を損なわないようにするために、HartreeポテンシャルをPoisson方程式を逐次的に解くことにより計算するなどの工夫をした。これにより、8CPUを使用した場合でも、量子化学計算において80%以上の並列化効率を実現することが可能になった。