(57)【要約】【課題】分子軌道計算によって得られた分子軌道のエネルギーや広がりの情報から蛋白質の活性部位を予測することのできるシステム等を提供することを課題とする。【解決手段】本発明にかかるシステムは、蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて、フロンティア軌道とその周辺軌道、および／または、主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定し、当該フロンティア軌道とその周辺軌道の位置、および／または、当該軌道エネルギーに基づいて当該蛋白質または生理活性ポリペプチドの活性部位となるアミノ酸残基を予測する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて、フロンティア軌道とその周辺軌道、および／または、主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定し、当該フロンティア軌道とその周辺軌道の位置、および／または、当該軌道エネルギーに基づいて当該蛋白質または当該生理活性ポリペプチドの活性部位となるアミノ酸残基を予測する活性部位予測方法。
【請求項２】
目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得する構造データ取得ステップと、
上記構造データ取得ステップにて取得した上記構造データに基づいて上記蛋白質または上記生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めてフロンティア軌道を特定するフロンティア軌道計算ステップと、
上記フロンティア軌道と予め定めたエネルギー差になる分子軌道を当該フロンティア軌道の周辺軌道として決定する周辺軌道決定ステップと、
上記フロンティア軌道と上記周辺軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定する候補アミノ酸残基決定ステップと、
上記候補アミノ酸残基決定ステップにより決定された上記候補アミノ酸残基の中から活性部位を選択して活性部位を予測する活性部位予測ステップと、
を含むことを特徴とする活性部位予測方法。
【請求項３】
目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得する構造データ取得ステップと、
上記構造データ取得ステップにて取得した上記構造データに基づいて上記蛋白質または上記生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定する軌道エネルギー計算ステップと、
上記軌道エネルギー計算ステップにて特定された上記軌道エネルギーのうち予め定めた値を超える軌道エネルギーとなる分子軌道および／または相対的に軌道エネルギーが高い分子軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定する候補アミノ酸残基決定ステップと、
を含むことを特徴とする活性部位予測方法。
【請求項４】
目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得する構造データ取得ステップと、
上記構造データ取得ステップにて取得した上記構造データに基づいて上記蛋白質または上記生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めてフロンティア軌道を特定するフロンティア軌道計算ステップと、
上記構造データ取得ステップにて取得した上記構造データに基づいて上記蛋白質または上記生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定する軌道エネルギー計算ステップと、
上記フロンティア軌道と予め定めたエネルギー差になる分子軌道を当該フロンティア軌道の周辺軌道として決定する周辺軌道決定ステップと、
上記フロンティア軌道と上記周辺軌道が分布しているアミノ酸残基、および／または、上記軌道エネルギー計算ステップにて特定された上記軌道エネルギーのうち予め定めた値を超える軌道エネルギーとなる分子軌道および／または相対的に軌道エネルギーが高い分子軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定する候補アミノ酸残基決定ステップと、
上記候補アミノ酸残基決定ステップにより決定された上記候補アミノ酸残基の中から活性部位を選択して活性部位を予測する活性部位予測ステップと、
を含むことを特徴とする活性部位予測方法。
【請求項５】
分子軌道計算において、以下の３つの計算条件
１）蛋白質または上記生理活性ポリペプチドのまわりに水分子を発生させる、
２）蛋白質または上記生理活性ポリペプチドの周りに連続的な誘電体を置く、
３）蛋白質または上記生理活性ポリペプチド表面の解離性アミノ酸残基を無電荷の状態にし、内部に埋まっている解離性アミノ酸を電荷状態にする、
のうち少なくとも一つの計算条件を設定する計算条件設定ステップ、
をさらに含むことを特徴とする請求項２から４のいずれか一つに記載の活性部位予測方法。
【請求項６】
目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得する構造データ取得手段と、
上記構造データ取得手段にて取得した上記構造データに基づいて上記蛋白質または上記生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めてフロンティア軌道を特定するフロンティア軌道計算手段と、
上記フロンティア軌道と予め定めたエネルギー差になる分子軌道を当該フロンティア軌道の周辺軌道として決定する周辺軌道決定手段と、
上記フロンティア軌道と上記周辺軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定する候補アミノ酸残基決定手段と、
上記候補アミノ酸残基決定手段により決定された上記候補アミノ酸残基の中から活性部位を選択して活性部位を予測する活性部位予測手段と、
を備えたことを特徴とする活性部位予測装置。
【請求項７】
目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得する構造データ取得手段と、
上記構造データ取得手段にて取得した上記構造データに基づいて上記蛋白質または上記生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定する軌道エネルギー計算手段と、
上記軌道エネルギー計算手段にて特定された上記軌道エネルギーのうち予め定めた値を超える軌道エネルギーとなる分子軌道および／または相対的に軌道エネルギーが高い分子軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定する候補アミノ酸残基決定手段と、
を備えたことを特徴とする活性部位予測装置。
【請求項８】
目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得する構造データ取得手段と、
上記構造データ取得手段にて取得した上記構造データに基づいて上記蛋白質または上記生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めてフロンティア軌道を特定するフロンティア軌道計算手段と、
上記構造データ取得手段にて取得した上記構造データに基づいて上記蛋白質または上記生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定する軌道エネルギー計算手段と、
上記フロンティア軌道と予め定めたエネルギー差になる分子軌道を当該フロンティア軌道の周辺軌道として決定する周辺軌道決定手段と、
上記フロンティア軌道と上記周辺軌道が分布しているアミノ酸残基、および／または、上記軌道エネルギー計算手段にて特定された上記軌道エネルギーのうち予め定めた値を超える軌道エネルギーとなる分子軌道および／または相対的に軌道エネルギーが高い分子軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定する候補アミノ酸残基決定手段と、
上記候補アミノ酸残基決定手段により決定された上記候補アミノ酸残基の中から活性部位を選択して活性部位を予測する活性部位予測手段と、
を備えたことを特徴とする活性部位予測装置。
【請求項９】
分子軌道計算において、以下の３つの計算条件
１）蛋白質または上記生理活性ポリペプチドのまわりに水分子を発生させる、
２）蛋白質または上記生理活性ポリペプチドの周りに連続的な誘電体を置く、
３）蛋白質または上記生理活性ポリペプチド表面の解離性アミノ酸残基を無電荷の状態にし、内部に埋まっている解離性アミノ酸を電荷状態にする、
のうち少なくとも一つの計算条件を設定する計算条件設定手段、
をさらに備えることを特徴とする請求項６から８のいずれか一つに記載の活性部位予測装置。
【請求項１０】
目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得する構造データ取得ステップと、
上記構造データ取得ステップにて取得した上記構造データに基づいて上記蛋白質または上記生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めてフロンティア軌道を特定するフロンティア軌道計算ステップと、
上記フロンティア軌道と予め定めたエネルギー差になる分子軌道を当該フロンティア軌道の周辺軌道として決定する周辺軌道決定ステップと、
上記フロンティア軌道と上記周辺軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定する候補アミノ酸残基決定ステップと、
上記候補アミノ酸残基決定ステップにより決定された上記候補アミノ酸残基の中から活性部位を選択して活性部位を予測する活性部位予測ステップと、
を含む活性部位予測方法をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項１１】
目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得する構造データ取得ステップと、
上記構造データ取得ステップにて取得した上記構造データに基づいて上記蛋白質または上記生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定する軌道エネルギー計算ステップと、
上記軌道エネルギー計算ステップにて特定された上記軌道エネルギーのうち予め定めた値を超える軌道エネルギーとなる分子軌道および／または相対的に軌道エネルギーが高い分子軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定する候補アミノ酸残基決定ステップと、
を含む活性部位予測方法をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項１２】
目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得する構造データ取得ステップと、
上記構造データ取得ステップにて取得した上記構造データに基づいて上記蛋白質または上記生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めてフロンティア軌道を特定するフロンティア軌道計算ステップと、
上記構造データ取得ステップにて取得した上記構造データに基づいて上記蛋白質または上記生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定する軌道エネルギー計算ステップと、
上記フロンティア軌道と予め定めたエネルギー差になる分子軌道を当該フロンティア軌道の周辺軌道として決定する周辺軌道決定ステップと、
上記フロンティア軌道と上記周辺軌道が分布しているアミノ酸残基、および／または、上記軌道エネルギー計算ステップにて特定された上記軌道エネルギーのうち予め定めた値を超える軌道エネルギーとなる分子軌道および／または相対的に軌道エネルギーが高い分子軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定する候補アミノ酸残基決定ステップと、
上記候補アミノ酸残基決定ステップにより決定された上記候補アミノ酸残基の中から活性部位を選択して活性部位を予測する活性部位予測ステップと、
を含む活性部位予測方法をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項１３】
分子軌道計算において、以下の３つの計算条件
１）蛋白質または上記生理活性ポリペプチドのまわりに水分子を発生させる、
２）蛋白質または上記生理活性ポリペプチドの周りに連続的な誘電体を置く、
３）蛋白質または上記生理活性ポリペプチド表面の解離性アミノ酸残基を無電荷の状態にし、内部に埋まっている解離性アミノ酸を電荷状態にする、
のうち少なくとも一つの計算条件を設定する計算条件設定ステップ、
をさらに含む活性部位予測方法をコンピュータに実行させることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一つに記載のプログラム。
【請求項１４】
上記請求項１０から１３のいずれか一つに記載されたプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、活性部位予測方法、活性部位予測装置、プログラム、および、記録媒体に関し、特に、生理活性ポリペプチドもしくは蛋白質の活性部位を高精度で推定する活性部位予測方法、活性部位予測装置、プログラム、および、記録媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生理活性ポリペプチド又は蛋白質の活性部位を推定する方法は種々提案されているが、それらの方法はアミノ酸配列、遺伝配列のみを用いた方法と、立体構造の情報を用いた方法の２つに大別される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術による活性部位の予測方法は予測精度が低いという問題点を有していた。
以下、この問題点の内容について、一層具体的に説明する。
【０００４】
まず、前者の遺伝配列のみを用いた予測方法の代表的な技術として、例えば、特開平１１−２１３００３号公報（『蛋白質機能部位の予測方法と予測装置』）のようにオリゴペプチドの出現頻度を利用して機能部位を予測する方法が挙げられる。前者の方法は、時間、計算コストの面で優れている、立体構造の情報のない蛋白質の解析に利用できる、などの利点がある。しかしながら、立体構造の情報が有る場合と比べると、精度が低いという問題点を有する。
【０００５】
一方、後者の立体構造を用いる活性部位予測方法において最も一般的に利用されている方法は、蛋白質の大きな溝を探す方法である。ほとんどの活性部位は結合ポケットと呼ばれる蛋白質の溝に位置している。その溝を探すことで酵素の活性部位を予測するという技術である。しかしながら、溝が複数見つかる場合や溝の位置と活性部位が一致しない場合も多く、精度が高くないという問題点を有する。さらに、活性に必要なアミノ酸残基と、単に活性部位の側に存在しているアミノ酸残基を区別することができないという問題点を有する。
【０００６】
そこで、単にトポロジーの情報のみに頼るのではなく、計算化学を利用して、予測精度を高めようとする試みが多くされている。例えば、Ｏｎｄｒｅｃｈｅｎらは活性部位においては解離性アミノ酸残基のｐＨ滴定曲線が異常になりやすいという事実を利用して、活性部位を予測するシステムを発表している（Ｐｒｏｃ．　Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ，Ｖｏｌ．９８，Ｉｓｓｕｅ　２２，１２４７３−１２４７８，Ｏｃｔｏｂｅｒ　２３，２００１）。しかし、この方法では古典論による計算を採用しているために、そもそも計算精度が低いという問題点を有する。また、引用した論文にも発表されているデータによると、ｐＨ滴定曲線が異常な解離性アミノ酸残基でも活性部位にならない場合があるという問題点を有する。
【０００７】
他にも、Ｅｌｏｃｋらは蛋白質を不安定化させているアミノ酸残基を古典論の計算によって求めて、結合部位または活性部位になる可能性が高いことを示している（「Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｉｏｌｏｇｙ」Ｖｏｌ．３１２，Ｎｏ．４，８８５−８９６，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　２８，２００１）。しかしながら、前述の方法と同様に古典論を利用しているために計算精度が低く、また、蛋白質を不安定化しているアミノ酸残基が、活性部位になるという理論的な根拠はないという問題点を有する。
【０００８】
以上の従来技術による予測方法の問題点をまとめると、活性部位予測方法に理論的な裏付けが乏しいこと、用いている計算の精度が不十分であること等が挙げられる。これらの問題点により従来の活性部位の予測精度に限界がある。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、分子軌道計算によって得られた分子軌道のエネルギーや広がりの情報から蛋白質の活性部位を予測することのできる、活性部位予測方法、活性部位予測装置、プログラム、および、記録媒体を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような状況下、本発明者は、簡便でかつ正確な蛋白質の機能部位（活性部位）の推定方法等につき鋭意検討を行った結果、１）分子軌道法によって求められる蛋白質の最高被占軌道（ＨＯＭＯ；ｈｉｇｈｅｓｔ　ｏｃｃｕｐｉｅｄ　ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ｏｒｂｉｔａｌ）または最低空軌道（ＬＵＭＯ；ｌｏｗｅｓｔ　ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ　ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ｏｒｂｉｔａｌ）、ならびに、その周辺軌道の位置と活性部位の位置との間に関係があること、２）蛋白質の主鎖原子に分布する分子軌道の軌道エネルギーが相対的に高いアミノ酸残基と活性部位との間に関連があることを見出し、本発明を完成した。
【００１１】
本発明は、以下に後述するように、１）精度が高いと言われている分子軌道計算を利用していること、２）福井謙一らによって提唱され、多くの科学者によって実証されてきたフロンティア軌道の位置と反応部位との関係性を蛋白質の系に応用したものであるので、理論的な根拠があるという２点によって、高い精度の予想が期待できるという特徴を有している。
【００１２】
すなわち、この発明の活性部位予測方法、活性部位予測装置、プログラム、および、記録媒体は、以下の考えに立脚してなされたものである。福井謙一のフロンティア軌道理論によれば、最高被占軌道（ＨＯＭＯ）は化学物質の電子供与的反応に関与し、最低空軌道（ＬＵＭＯ）は化学物質の電子受容的反応に関与する。この理論は低分子化合物に関してはよく実証されている。そこで、本発明者は、蛋白質のような巨大分子でも同様の理論が成立するのではないかと考えた。その可能性については計算化学的なアプローチによって提示している（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｍｅｒｉｃａｎ　ＣｈｅｍｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ；２００１；１２３（３３）；８１６１−８１６２）。そして、本発明者は計算条件の改良、フロンティア軌道とその周辺の軌道という抽象的な概念から具体的な定義に変更、計算条件を詳細に検討して、さらに実施例を増やしたことにより、電子状態から逆に活性部位を予測するという本発明を完成させた。
【００１３】
このような目的を達成するため、請求項１に記載の活性部位予測方法は、蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて、フロンティア軌道とその周辺軌道、および／または、主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定し、当該フロンティア軌道とその周辺軌道の位置、および／または、当該軌道エネルギーに基づいて当該蛋白質または生理活性ポリペプチドの活性部位となるアミノ酸残基を予測することを特徴とする。
【００１４】
この方法によれば、蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて、フロンティア軌道とその周辺軌道、および／または、主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定し、当該フロンティア軌道とその周辺軌道の位置、および／または、当該軌道エネルギーに基づいて当該蛋白質または生理活性ポリペプチドの活性部位となるアミノ酸残基を予測するので、精度が高いと言われている分子軌道計算を利用し、フロンティア軌道の位置または軌道エネルギーの高い位置と反応部位との関係性を蛋白質または生理活性ポリペプチドの系に応用するため高い精度の活性部位予想を行うことができるようになる。
【００１５】
また、請求項２に記載の活性部位予測方法は、目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得する構造データ取得ステップと、上記構造データ取得ステップにて取得した上記構造データに基づいて上記蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めてフロンティア軌道を特定するフロンティア軌道計算ステップと、上記フロンティア軌道と予め定めたエネルギー差になる分子軌道を当該フロンティア軌道の周辺軌道として決定する周辺軌道決定ステップと、上記フロンティア軌道と上記周辺軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定する候補アミノ酸残基決定ステップと、上記候補アミノ酸残基決定ステップにより決定された上記候補アミノ酸残基の中から活性部位を選択して活性部位を予測する活性部位予測ステップとを含むことを特徴とする。
【００１６】
この方法によれば、目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得し、取得した構造データに基づいて蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めてフロンティア軌道を特定し、フロンティア軌道と予め定めたエネルギー差になる分子軌道を当該フロンティア軌道の周辺軌道として決定し、フロンティア軌道と周辺軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定し、決定された候補アミノ酸残基の中から活性部位を選択して活性部位を予測するので、精度が高いと言われている分子軌道計算を利用し、フロンティア軌道の位置と反応部位との関係性を蛋白質または生理活性ポリペプチドの系に応用するため高い精度の活性部位予想を行うことができるようになる。
【００１７】
また、請求項３に記載の活性部位予測方法は、目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得する構造データ取得ステップと、上記構造データ取得ステップにて取得した上記構造データに基づいて上記蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定する軌道エネルギー計算ステップと、上記軌道エネルギー計算ステップにて特定された上記軌道エネルギーのうち予め定めた値を超える軌道エネルギーとなる分子軌道および／または相対的に軌道エネルギーが高い分子軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定する候補アミノ酸残基決定ステップとを含むことを特徴とする。
【００１８】
この方法によれば、目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得し、取得した構造データに基づいて蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定し、特定された軌道エネルギーのうち予め定めた値を超える軌道エネルギーとなる分子軌道および／または相対的に軌道エネルギーが高い分子軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定するので、精度が高いと言われている分子軌道計算を利用し、軌道エネルギーの高い位置と反応部位との関係性を蛋白質または生理活性ポリペプチドの系に応用するため高い精度の活性部位予想を行うことができるようになる。
【００１９】
また、請求項４に記載の活性部位予測方法は、目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得する構造データ取得ステップと、上記構造データ取得ステップにて取得した上記構造データに基づいて上記蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めてフロンティア軌道を特定するフロンティア軌道計算ステップと、上記構造データ取得ステップにて取得した上記構造データに基づいて上記蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定する軌道エネルギー計算ステップと、上記フロンティア軌道と予め定めたエネルギー差になる分子軌道を当該フロンティア軌道の周辺軌道として決定する周辺軌道決定ステップと、上記フロンティア軌道と上記周辺軌道が分布しているアミノ酸残基、および／または、上記軌道エネルギー計算ステップにて特定された上記軌道エネルギーのうち予め定めた値を超える軌道エネルギーとなる分子軌道および／または相対的に軌道エネルギーが高い分子軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定する候補アミノ酸残基決定ステップと、上記候補アミノ酸残基決定ステップにより決定された上記候補アミノ酸残基の中から活性部位を選択して活性部位を予測する活性部位予測ステップとを含むことを特徴とする。
【００２０】
この方法によれば、目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得し、取得した構造データに基づいて蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めてフロンティア軌道を特定し、取得した構造データに基づいて蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定し、フロンティア軌道と予め定めたエネルギー差になる分子軌道を当該フロンティア軌道の周辺軌道として決定し、フロンティア軌道と周辺軌道が分布しているアミノ酸残基、および／または、特定された軌道エネルギーのうち予め定めた値を超える軌道エネルギーとなる分子軌道および／または相対的に軌道エネルギーが高い分子軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定し、決定された候補アミノ酸残基の中から活性部位を選択して活性部位を予測するので、精度が高いと言われている分子軌道計算を利用し、フロンティア軌道の位置または軌道エネルギーの高い位置と反応部位との関係性を蛋白質または生理活性ポリペプチドの系に応用するため高い精度の活性部位予想を行うことができるようになる。
【００２１】
また、請求項５に記載の活性部位予測方法は、請求項２から４のいずれか一つに記載の活性部位予測方法において、分子軌道計算において、以下の３つの計算条件
１）蛋白質または生理活性ポリペプチドのまわりに水分子を発生させる、
２）蛋白質または生理活性ポリペプチドの周りに連続的な誘電体を置く、
３）蛋白質または生理活性ポリペプチド表面の解離性アミノ酸残基を無電荷の状態にし、内部に埋まっている解離性アミノ酸を電荷状態にする、
のうち少なくとも一つの計算条件を設定する計算条件設定ステップをさらに含むことを特徴とする。
【００２２】
これは分子軌道計算の一例を一層具体的に示すものである。この方法によれば、分子軌道計算において、以下の３つの計算条件
１）蛋白質または生理活性ポリペプチドのまわりに水分子を発生させる、
２）蛋白質または生理活性ポリペプチドの周りに連続的な誘電体を置く、
３）蛋白質または生理活性ポリペプチド表面の解離性アミノ酸残基を無電荷の状態にし、内部に埋まっている解離性アミノ酸を電荷状態にする、
のうち少なくとも一つの計算条件を設定するので、３つの計算条件を適宜設定することにより、効率的に分子軌道計算を実行することができ、さらに、活性部位予測の精度を大幅に向上させることができるようになる。
【００２３】
また、本発明は活性部位予測装置に関するものであり、請求項６に記載の活性部位予測装置は、目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得する構造データ取得手段と、上記構造データ取得手段にて取得した上記構造データに基づいて上記蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めてフロンティア軌道を特定するフロンティア軌道計算手段と、上記フロンティア軌道と予め定めたエネルギー差になる分子軌道を当該フロンティア軌道の周辺軌道として決定する周辺軌道決定手段と、上記フロンティア軌道と上記周辺軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定する候補アミノ酸残基決定手段と、上記候補アミノ酸残基決定手段により決定された上記候補アミノ酸残基の中から活性部位を選択して活性部位を予測する活性部位予測手段とを備えたことを特徴とする。
【００２４】
この装置によれば、目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得し、取得した構造データに基づいて蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めてフロンティア軌道を特定し、フロンティア軌道と予め定めたエネルギー差になる分子軌道を当該フロンティア軌道の周辺軌道として決定し、フロンティア軌道と周辺軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定し、決定された候補アミノ酸残基の中から活性部位を選択して活性部位を予測するので、精度が高いと言われている分子軌道計算を利用し、フロンティア軌道の位置と反応部位との関係性を蛋白質または生理活性ポリペプチドの系に応用するため高い精度の活性部位予想を行うことができるようになる。
【００２５】
また、請求項７に記載の活性部位予測装置は、目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得する構造データ取得手段と、上記構造データ取得手段にて取得した上記構造データに基づいて上記蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定する軌道エネルギー計算手段と、上記軌道エネルギー計算手段にて特定された上記軌道エネルギーのうち予め定めた値を超える軌道エネルギーとなる分子軌道および／または相対的に軌道エネルギーが高い分子軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定する候補アミノ酸残基決定手段とを備えたことを特徴とする。
【００２６】
この装置によれば、目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得し、取得した構造データに基づいて蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定し、特定された軌道エネルギーのうち予め定めた値を超える軌道エネルギーとなる分子軌道および／または相対的に軌道エネルギーが高い分子軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定するので、精度が高いと言われている分子軌道計算を利用し、軌道エネルギーの高い位置と反応部位との関係性を蛋白質または生理活性ポリペプチドの系に応用するため高い精度の活性部位予想を行うことができるようになる。
【００２７】
また、請求項８に記載の活性部位予測装置は、目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得する構造データ取得手段と、上記構造データ取得手段にて取得した上記構造データに基づいて上記蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めてフロンティア軌道を特定するフロンティア軌道計算手段と、上記構造データ取得手段にて取得した上記構造データに基づいて上記蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定する軌道エネルギー計算手段と、上記フロンティア軌道と予め定めたエネルギー差になる分子軌道を当該フロンティア軌道の周辺軌道として決定する周辺軌道決定手段と、上記フロンティア軌道と上記周辺軌道が分布しているアミノ酸残基、および／または、上記軌道エネルギー計算手段にて特定された上記軌道エネルギーのうち予め定めた値を超える軌道エネルギーとなる分子軌道および／または相対的に軌道エネルギーが高い分子軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定する候補アミノ酸残基決定手段と、上記候補アミノ酸残基決定手段により決定された上記候補アミノ酸残基の中から活性部位を選択して活性部位を予測する活性部位予測手段とを備えたことを特徴とする。
【００２８】
この装置によれば、目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得し、取得した構造データに基づいて蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めてフロンティア軌道を特定し、取得した構造データに基づいて蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定し、フロンティア軌道と予め定めたエネルギー差になる分子軌道を当該フロンティア軌道の周辺軌道として決定し、フロンティア軌道と周辺軌道が分布しているアミノ酸残基、および／または、特定された軌道エネルギーのうち予め定めた値を超える軌道エネルギーとなる分子軌道および／または相対的に軌道エネルギーが高い分子軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定し、決定された候補アミノ酸残基の中から活性部位を選択して活性部位を予測するので、精度が高いと言われている分子軌道計算を利用し、フロンティア軌道の位置または軌道エネルギーの高い位置と反応部位との関係性を蛋白質または生理活性ポリペプチドの系に応用するため高い精度の活性部位予想を行うことができるようになる。
【００２９】
また、請求項９に記載の活性部位予測装置は、請求項６から８のいずれか一つに記載の活性部位予測装置において、分子軌道計算において、以下の３つの計算条件
１）蛋白質または生理活性ポリペプチドのまわりに水分子を発生させる、
２）蛋白質または生理活性ポリペプチドの周りに連続的な誘電体を置く、
３）蛋白質または生理活性ポリペプチド表面の解離性アミノ酸残基を無電荷の状態にし、内部に埋まっている解離性アミノ酸を電荷状態にする、
のうち少なくとも一つの計算条件を設定する計算条件設定手段をさらに備えたことを特徴とする。
【００３０】
これは分子軌道計算の一例を一層具体的に示すものである。この装置によれば、分子軌道計算において、以下の３つの計算条件
１）蛋白質または生理活性ポリペプチドのまわりに水分子を発生させる、
２）蛋白質または生理活性ポリペプチドの周りに連続的な誘電体を置く、
３）蛋白質または生理活性ポリペプチド表面の解離性アミノ酸残基を無電荷の状態にし、内部に埋まっている解離性アミノ酸を電荷状態にする、
のうち少なくとも一つの計算条件を設定するので、３つの計算条件を適宜設定することにより、効率的に分子軌道計算を実行することができ、さらに、活性部位予測の精度を大幅に向上させることができるようになる。
【００３１】
また、本発明はプログラムに関するものであり、請求項１０に記載のプログラムは、目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得する構造データ取得ステップと、上記構造データ取得ステップにて取得した上記構造データに基づいて上記蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めてフロンティア軌道を特定するフロンティア軌道計算ステップと、上記フロンティア軌道と予め定めたエネルギー差になる分子軌道を当該フロンティア軌道の周辺軌道として決定する周辺軌道決定ステップと、上記フロンティア軌道と上記周辺軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定する候補アミノ酸残基決定ステップと、上記候補アミノ酸残基決定ステップにより決定された上記候補アミノ酸残基の中から活性部位を選択して活性部位を予測する活性部位予測ステップとを含む活性部位予測方法をコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００３２】
このプログラムによれば、目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得し、取得した構造データに基づいて蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めてフロンティア軌道を特定し、フロンティア軌道と予め定めたエネルギー差になる分子軌道を当該フロンティア軌道の周辺軌道として決定し、フロンティア軌道と周辺軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定し、決定された候補アミノ酸残基の中から活性部位を選択して活性部位を予測するので、精度が高いと言われている分子軌道計算を利用し、フロンティア軌道の位置と反応部位との関係性を蛋白質または生理活性ポリペプチドの系に応用するため高い精度の活性部位予想を行うことができるようになる。
【００３３】
また、請求項１１に記載のプログラムは、目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得する構造データ取得ステップと、上記構造データ取得ステップにて取得した上記構造データに基づいて上記蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定する軌道エネルギー計算ステップと、上記軌道エネルギー計算ステップにて特定された上記軌道エネルギーのうち予め定めた値を超える軌道エネルギーとなる分子軌道および／または相対的に軌道エネルギーが高い分子軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定する候補アミノ酸残基決定ステップとを含む活性部位予測方法をコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００３４】
このプログラムによれば、目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得し、取得した構造データに基づいて蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定し、特定された軌道エネルギーのうち予め定めた値を超える軌道エネルギーとなる分子軌道および／または相対的に軌道エネルギーが高い分子軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定するので、精度が高いと言われている分子軌道計算を利用し、軌道エネルギーの高い位置と反応部位との関係性を蛋白質または生理活性ポリペプチドの系に応用するため高い精度の活性部位予想を行うことができるようになる。
【００３５】
また、請求項１２に記載のプログラムは、目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得する構造データ取得ステップと、上記構造データ取得ステップにて取得した上記構造データに基づいて上記蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めてフロンティア軌道を特定するフロンティア軌道計算ステップと、上記構造データ取得ステップにて取得した上記構造データに基づいて上記蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定する軌道エネルギー計算ステップと、上記フロンティア軌道と予め定めたエネルギー差になる分子軌道を当該フロンティア軌道の周辺軌道として決定する周辺軌道決定ステップと、上記フロンティア軌道と上記周辺軌道が分布しているアミノ酸残基、および／または、上記軌道エネルギー計算ステップにて特定された上記軌道エネルギーのうち予め定めた値を超える軌道エネルギーとなる分子軌道および／または相対的に軌道エネルギーが高い分子軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定する候補アミノ酸残基決定ステップと、上記候補アミノ酸残基決定ステップにより決定された上記候補アミノ酸残基の中から活性部位を選択して活性部位を予測する活性部位予測ステップとを含む活性部位予測方法をコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００３６】
このプログラムによれば、目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得し、取得した構造データに基づいて蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めてフロンティア軌道を特定し、取得した構造データに基づいて蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定し、フロンティア軌道と予め定めたエネルギー差になる分子軌道を当該フロンティア軌道の周辺軌道として決定し、フロンティア軌道と周辺軌道が分布しているアミノ酸残基、および／または、特定された軌道エネルギーのうち予め定めた値を超える軌道エネルギーとなる分子軌道および／または相対的に軌道エネルギーが高い分子軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定し、決定された候補アミノ酸残基の中から活性部位を選択して活性部位を予測するので、精度が高いと言われている分子軌道計算を利用し、フロンティア軌道の位置または軌道エネルギーの高い位置と反応部位との関係性を蛋白質または生理活性ポリペプチドの系に応用するため高い精度の活性部位予想を行うことができるようになる。
【００３７】
また、請求項１３に記載のプログラムは、請求項１０から１２のいずれか一つに記載のプログラムにおいて、分子軌道計算において、以下の３つの計算条件
１）蛋白質または生理活性ポリペプチドのまわりに水分子を発生させる、
２）蛋白質または生理活性ポリペプチドの周りに連続的な誘電体を置く、
３）蛋白質または生理活性ポリペプチド表面の解離性アミノ酸残基を無電荷の状態にし、内部に埋まっている解離性アミノ酸を電荷状態にする、
のうち少なくとも一つの計算条件を設定する計算条件設定ステップをさらに含む活性部位予測方法をコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００３８】
これは分子軌道計算の一例を一層具体的に示すものである。このプログラムによれば、分子軌道計算において、以下の３つの計算条件
１）蛋白質または生理活性ポリペプチドのまわりに水分子を発生させる、
２）蛋白質または生理活性ポリペプチドの周りに連続的な誘電体を置く、
３）蛋白質または生理活性ポリペプチド表面の解離性アミノ酸残基を無電荷の状態にし、内部に埋まっている解離性アミノ酸を電荷状態にする、
のうち少なくとも一つの計算条件を設定するので、３つの計算条件を適宜設定することにより、効率的に分子軌道計算を実行することができ、さらに、活性部位予測の精度を大幅に向上させることができるようになる。
【００３９】
また、本発明は記録媒体に関するものであり、請求項１４に記載の記録媒体は、上記請求項１０から１３のいずれか一つに記載されたプログラムを記録したことを特徴とする。
【００４０】
この記録媒体によれば、当該記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータに読み取らせて実行することによって、請求項１０から１３のいずれか一つに記載されたプログラムをコンピュータを利用して実現することができ、これら各プログラムと同様の効果を得ることができる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる活性部位予測方法、活性部位予測装置、プログラム、および、記録媒体の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。本実施の形態は、蛋白質の活性部位予測に関する場合を一例に説明するが、当業者であれば本実施の形態の記載に基づいて本発明を生理活性ポリペプチドに容易に適用することができる。
【００４２】
［本発明の概要］
以下、本発明の概要について説明し、その後、本発明の構成および処理等について詳細に説明する。図１は本発明の基本原理を示す原理構成図である。
【００４３】
本発明は、概略的に、以下の基本的特徴を有する。すなわち、まず目的の蛋白質の立体構造データをＰＤＢ（Ｐｒｏｔｅｉｎ　Ｄａｔａ　Ｂａｎｋ）などの外部データベースなどから取得する（ステップＳ１）。
【００４４】
そして、蛋白質の立体構造データに基づいて分子軌道計算を行い、目的の蛋白質の立体構造データに基づいてフロンティア軌道（最高被占軌道（ＨＯＭＯ）または最低空軌道（ＬＵＭＯ））、および／または、主鎖原子の軌道エネルギーを求める（ステップＳ２）。
【００４５】
ここで、最高被占軌道（ＨＯＭＯ）または最低空軌道（ＬＵＭＯ）の軌道エネルギーは、例えば、市販のプログラムＭＯＰＡＣ２０００（Ｊ．Ｊ．Ｐ．　Ｓｔｅｗａｒｔ，Ｆｕｊｉｔｓｕ　Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ（１９９９））等を用いてＡＭ１ハミルトニアン法等により計算することができる（ステップＳ２１）。
【００４６】
また、分子軌道計算には半経験的分子軌道計算、非経験的分子軌道計算の他にも、密度汎関数計算を用いてもよい。現在の計算機の処理能力では半経験的分子軌道が好適であるが、将来的にはより精度の高い方法での応用が可能である。
【００４７】
ここで、発明者は計算条件を鋭意検討した結果、予測に必要な３つの計算条件を見つけることに成功した（ステップＳ３）。第一は、水分子を計算に含めることである。水分子と蛋白質との間の水素結合、さらには水分子と蛋白質との間の電荷移動を考慮するために、入力データの蛋白質のまわりに水分子を発生させることが必要である。結晶構造のデータのなかに水分子の情報が含まれているので、それらを活用することも可能であるが、ほとんどの場合は数が全く足りない。従って、例えば蛋白質と水素結合できるような位置に水分子を置くという方法等により入力データの蛋白質のまわりに水分子を発生させて分子軌道計算を行う（ステップＳ３１）。
【００４８】
第二に、水分子の誘電的な効果を考慮する必要がある（ステップＳ３２）。これには様々な方法が考えられる。例えば、蛋白質の周りに連続的な誘電体を置く方法（Ｋｌａｍｔらが開発したＣＯＳＭＯ法などが代表例である。）等を用いることができる。
【００４９】
第三に、非常に大きな分子について本発明を応用したい場合は、溶媒の影響を考慮することにより計算機の処理能力の限界を超えてしまうことが予想される。その場合は、蛋白質表面の解離性アミノ酸残基を無電荷の状態（例えば、グルタミン酸をプロトン化する）にし、内部に埋まっている解離性アミノ酸を電荷状態（例えば、グルタミン酸を脱プロトン化する）にすることによって、溶媒を考慮した計算結果を近似的に求める（ステップＳ３３）。
このように、本発明では、３つの計算条件を適宜設定することにより、効率的に分子軌道計算を実行することができ、さらに、活性部位予測の精度を大幅に向上させることができるようになる。
【００５０】
ここで、本発明における「フロンティア軌道の周辺軌道」の定義を次のように行う。一般的に『フロンティア軌道』とは『最高被占軌道（ＨＯＭＯ）』と『最低空軌道（ＬＵＭＯ）』の２つのことを指す。しかし、蛋白質のような巨大分子の系ではフロンティア軌道とエネルギー的にほとんど変わらない分子軌道がフロンティア軌道と同様に機能に重要な役割を果たすことが多い。発明者が鋭意研究した結果、多少のエネルギーの違い（例えば１〜２ｅＶ程度）であれば、フロンティア軌道と変わらない役割を果たすことが分かった。そこで、本発明ではフロンティア軌道をその周辺領域にまで拡張している。例えば、最高被占軌道（ＨＯＭＯ）とのエネルギー差が予め定めた閾値（例えば、２ｅＶ等）以内の全ての被占軌道、および、最低空軌道とのエネルギー差が予め定めた閾値（例えば、２ｅＶ等）以内の全ての空軌道をフロンティア軌道の『周辺軌道』と定義する。この定義の拡張が本発明の特徴のうちの一つである。
【００５１】
次に、本発明は、求めたフロンティア軌道と周辺軌道を蛋白質のアミノ酸配列中の特定のアミノ酸残基に帰属させる（ステップＳ４）。分子軌道のアミノ酸残基への帰属は以下のように行う。
【００５２】
各分子軌道は以下のように基底関数の線形結合によって表される。
ψ＝ΣｃｉΦｉ
（ｉは基底関数の番号、Φｉは基底関数、ｃｉは係数）
各基底関数は原子に所属し、各原子はアミノ酸残基に所属している。したがって、各基底関数はいずれかのアミノ酸残基に所属している。そこで、原子ごと、ならびにアミノ酸残基ごとの分布率を求める。
Ｄ（Ｋ）＝Σｃｉ２　
（ｉは原子またはアミノ酸残基Ｋに所属している全ての基底関数）
【００５３】
これにより、分子軌道ごとに最も分布率の大きなアミノ酸残基、または、最も分布率の大きな原子を含んでいるアミノ酸残基を得ることができる。それらを各分子軌道が分布するアミノ酸残基と定義する。このように定義すると、分子軌道がどこのアミノ酸に分布しているかを１対１で対応をとることができる。一般的に分子軌道はある程度の広がりがあるので、一つのアミノ酸残基に分布しているという発想は量子化学の世界では一般的ではないが、発明者は機能に関係する軌道に限っては、ほとんど一つのアミノ酸に局在しているという事実を発見した。分子軌道とアミノ酸を１対１で対応させることは、専門家以外にも分かりやすく、専門家以外が本発明を利用することには大きな助けとなる。この点も本発明の利点の一つである。
【００５４】
以上により、蛋白質のフロンティア軌道と周辺軌道が分布しているアミノ酸残基が判明するが、本発明は、このアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基（以下「候補アミノ酸残基」または単に「候補」という。）として決定する（ステップＳ４）。
【００５５】
次に、本発明は、活性部位になりえない候補の削除などを行い、活性部位を予測する（ステップＳ５）。例えば、トリプトファンやフェニルアラニンのような芳香環を含んでいるアミノ酸残基は性質上フロンティア軌道と周辺軌道になりやすいという性質をもっている。しかし、ほとんどの場合はそれらが活性部位にはなりえないことがわかっている。同様にジスルフィド結合しているシステイン、メチオニンもフロンティア軌道と周辺軌道が分布しやすいが活性部位にはほとんどならないことがわかっている。フロンティア軌道と周辺軌道のうち、これらのアミノ酸残基に所属しているものは、活性部位の候補から除く。
【００５６】
残ったフロンティア軌道と周辺軌道が分布しているアミノ酸残基が活性部位の候補であるが、ここで、活性部位は一つのアミノ酸残基であるケースはほとんどなく、複数のアミノ酸残基によって構成されている。したがって、実際に目的の蛋白質の立体構造データから立体構造を既知のグラフィックソフトなどを用いて表示させて、フロンティア軌道と周辺軌道を表示させると多くの場合で、フロンティア軌道と周辺軌道が集まって存在している場所がある。そのように、立体構造上で局在化してクラスタを作っている部分の候補アミノ酸残基が活性部位である可能性が極めて高いため、このような候補を選択して、活性部位として予想する。
【００５７】
また、主鎖原子の軌道エネルギーも用いる場合には、上述したフロンティア軌道を用いる場合と同様の計算条件で計算をするが、分子軌道をアミノ酸ではなく、分子に帰属させることに違いがある（ステップＳ２２）。すなわち、あるアミノ酸の主鎖の原子（例えば、窒素や炭素など）に分布している分子軌道の軌道エネルギーに着目する。そのような分子軌道は複数あるので、その中で最も特徴的な、例えば、最もエネルギーの高い被占軌道の軌道エネルギーに着目する。ここでも、アミノ酸と軌道エネルギーが１対１で対応する。
【００５８】
このように各アミノ酸を主鎖の原子に分布している分子軌道の軌道エネルギーと各アミノ酸を対応させて解析に応用するという方法は従来にはない手法である。例えば、アミノ酸の番号と軌道エネルギーをプロットとすると、軌道エネルギーの相対的な大きさが分かる。軌道エネルギーが相対的に高い原子が存在するアミノ酸残基の部分が活性部位である可能性が高い。また、予め定めた値を超える軌道エネルギーをもつ分子軌道の分布するアミノ酸残基が活性部位になる可能性が高い。閾値は同様の機能を持つ蛋白質の活性部位の軌道エネルギーなどを参考にして決定してもよい。
【００５９】
以上に示した２つの手法（ステップＳ２１およびステップＳ２２）は、それぞれ活性部位を予測すること、分子軌道計算を利用していることで共通している。しかしながら、その予測方法による予測結果は全く同一ではない。それぞれの方法に関して、強みや弱みがあることは容易に予想できる。これらを手法を組み合わせてそれぞれの候補を比較することで、さらに精度を上げることができる。例えば、異なる方法の全ての予測結果において活性部位と予測されるアミノ酸残基、一部の方法で活性部位であると予測されるアミノ酸残基というように分類することで、活性部位らしさをより正確に表現することができる。
【００６０】
［システム構成］
まず、本システムの構成について図２〜図４を参照して説明する。図２は、本発明が適用される本システムの構成の一例を示すブロック図であり、該構成のうち本発明に関係する部分のみを概念的に示している。本システムは、概略的に、蛋白質活性部位予測装置１００と、蛋白質の構造情報等に関する外部データベースやホモロジー検索等の外部プログラム等を提供する外部システム２００とを、ネットワーク３００を介して通信可能に接続して構成されている。
【００６１】
図２においてネットワーク３００は、蛋白質活性部位予測装置１００と外部システム２００とを相互に接続する機能を有し、例えば、インターネット等である。
【００６２】
図２において外部システム２００は、ネットワーク３００を介して、蛋白質活性部位予測装置１００と相互に接続され、利用者に対して蛋白質の構造情報等に関する外部データベースやホモロジー検索やモチーフ検索等の外部プログラムを実行するウェブサイトを提供する機能を有する。
【００６３】
ここで、外部システム２００は、ＷＥＢサーバやＡＳＰサーバ等として構成してもよく、そのハードウェア構成は、一般に市販されるワークステーション、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置およびその付属装置により構成してもよい。また、外部システム２００の各機能は、外部システム２００のハードウェア構成中のＣＰＵ、ディスク装置、メモリ装置、入力装置、出力装置、通信制御装置等およびそれらを制御するプログラム等により実現される。
【００６４】
図２において蛋白質活性部位予測装置１００は、概略的に、蛋白質活性部位予測装置１００の全体を統括的に制御するＣＰＵ等の制御部１０２、通信回線等に接続されるルータ等の通信装置（図示せず）に接続される通信制御インターフェース部１０４、入力装置１１２や出力装置１１４に接続される入出力制御インターフェース部１０８、および、各種のデータベースやテーブルなどを格納する記憶部１０６を備えて構成されており、これら各部は任意の通信路を介して通信可能に接続されている。さらに、この蛋白質活性部位予測装置１００は、ルータ等の通信装置および専用線等の有線または無線の通信回線を介して、ネットワーク３００に通信可能に接続されている。
【００６５】
記憶部１０６に格納される各種のデータベースやテーブル（蛋白質構造データベース１０６ａおよび処理結果データ１０６ｂ）は、固定ディスク装置等のストレージ手段であり、各種処理に用いる各種のプログラムやテーブルやファイルやデータベースやウェブページ用ファイル等を格納する。
【００６６】
これら記憶部１０６の各構成要素のうち、蛋白質構造データベース１０６ａは、蛋白質の構造データ（アミノ酸配列データ、３次元構造データ、各種のアノテーション情報等を含む）を格納したデータベースである。蛋白質構造データベース１０６ａは、インターネットを経由してアクセスする外部のデータベースであってもよく、また、これらのデータベースをコピーしたり、オリジナルの配列情報を格納したり、さらに独自のアノテーション情報等を付加したりして作成したインハウスデータベースであってもよい。
【００６７】
また、処理結果データ１０６ｂは、制御部１０２による処理結果に関する情報等を格納する処理結果データ格納手段である。
【００６８】
また、図２において、通信制御インターフェース部１０４は、蛋白質活性部位予測装置１００とネットワーク３００（またはルータ等の通信装置）との間における通信制御を行う。すなわち、通信制御インターフェース部１０４は、他の端末と通信回線を介してデータを通信する機能を有する。
【００６９】
また、図２において、入出力制御インターフェース部１０８は、入力装置１１２や出力装置１１４の制御を行う。ここで、出力装置１１４としては、モニタ（家庭用テレビを含む）の他、スピーカを用いることができる（なお、以下においては出力装置１１４をモニタとして記載する場合がある）。また、入力装置１１２としては、キーボード、マウス、および、マイク等を用いることができる。また、モニタも、マウスと協働してポインティングデバイス機能を実現する。
【００７０】
また、図２において、制御部１０２は、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）等の制御プログラム、各種の処理手順等を規定したプログラム、および所要データを格納するための内部メモリを有し、これらのプログラム等により、種々の処理を実行するための情報処理を行う。制御部１０２は、機能概念的に、フロンティア軌道計算部１０２ａ、周辺軌道決定部１０２ｂ、水分子設定部１０２ｃ、誘電体設定部１０２ｄ、電荷設定部１０２ｅ、候補アミノ酸残基決定部１０２ｆ、活性部位予測部１０２ｇ、軌道エネルギー計算部１０２ｈ、および、構造データ取得部１０２ｐを備えて構成されている。
【００７１】
このうち、フロンティア軌道計算部１０２ａは、構造データに基づいて蛋白質の電子状態を分子軌道計算によって求めてフロンティア軌道を特定するフロンティア軌道計算手段である。ここで、フロンティア軌道計算部１０２ａは、図３に示すように、最高被占軌道計算部１０２ｉと最低空軌道計算部１０２ｊを備えて構成される。
【００７２】
また、周辺軌道決定部１０２ｂは、フロンティア軌道と予め定めたエネルギー差になる分子軌道を当該フロンティア軌道の周辺軌道として決定する周辺軌道決定手段である。
【００７３】
また、水分子設定部１０２ｃは、蛋白質のまわりに水分子を発生させて分子軌道計算等の量子化学計算を行う水分子設定手段である。
【００７４】
また、誘電体設定部１０２ｄは、蛋白質の周りに連続的な誘電体を置いて分子軌道計算等の量子化学計算を行う誘電体設定手段である。
【００７５】
また、電荷設定部１０２ｅは、蛋白質表面の解離性アミノ酸残基を無電荷の状態にし、内部に埋まっている解離性アミノ酸を電荷状態にして分子軌道計算等の量子化学計算を行う電荷設定手段である。
【００７６】
また、候補アミノ酸残基決定部１０２ｆは、フロンティア軌道と周辺軌道が分布しているアミノ酸残基、および／または、軌道エネルギーのうち予め定めた値を超える軌道エネルギーとなる分子軌道および／または相対的に軌道エネルギーが高い分子軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定する候補アミノ酸残基決定手段である。
【００７７】
また、活性部位予測部１０２ｇは、候補アミノ酸残基決定部１０２ｆにより決定された候補アミノ酸残基の中から活性部位を選択して活性部位を予測する活性部位予測手段である。ここで、活性部位予測部１０２ｇは、図４に示すように、活性部位になりえない候補の削除を行う特定アミノ酸残基除外部１０２ｋと、立体構造上で局在化してクラスタを作っている部分の候補アミノ酸残基を選択する局在アミノ酸残基選択部１０２ｍと、各手法による候補を比較して重複する候補を選択する候補比較部１０２ｎとを備えて構成される。
【００７８】
また、構造データ取得部１０２ｐは、目的の蛋白質の構造データを取得する構造データ取得手段である。
なお、これら各部によって行なわれる処理の詳細については、後述する。
【００７９】
［システムの処理］
次に、このように構成された本実施の形態における本システムの処理の一例について、以下に図５〜図１２を参照して詳細に説明する。
【００８０】
［メイン処理］
まず、メイン処理の詳細について図５を参照して説明する。図５は、本実施形態における本システムのメイン処理の一例を示すフローチャートである。
【００８１】
蛋白質活性部位予測装置１００は、構造データ取得部１０２ｐの処理により、まず目的の蛋白質の立体構造データをＰＤＢ（Ｐｒｏｔｅｉｎ　Ｄａｔａ　Ｂａｎｋ）などの外部データベースなどから取得する（ステップＳＡ−１）。
【００８２】
ついで、蛋白質活性部位予測装置１００は、制御部１０２の処理により、蛋白質の立体構造データに基づいて量子化学計算による分子軌道の計算を行う（ステップＳＡ−２）。ここで、分子軌道計算処理の詳細について図６を参照して説明する。図６は、本実施形態における本システムの分子軌道計算処理の一例を示すフローチャートである。
【００８３】
まず、蛋白質活性部位予測装置１００は、蛋白質の座標を取得し（ステップＳＢ−１）、分子軌道計算を行う。ここで、分子軌道計算については、例えば、「計算機化学入門」（櫻井実、猪飼篤　編、丸善、１９９９年）などに詳しく解説されている。以下に分子軌道計算処理の一例を説明する。まず、フォック方程式を解く（ステップＳＢ−２〜ステップＳＢ−７）。この方程式は『非線形』であるため、解が収束するまで繰り返し計算する解法を取る。
ＦＣ　＝　ＳＣε
【００８４】
本方程式において、Ｆはフォック行列、ＣはＬＣＡＯ係数を要素とした行列、Ｓは重なり積分を要素とした行列、εは軌道エネルギーの要素としたベクトルを示す。フォック行列はＦ＝ｈ＋Ｇ・Ｄというように、密度行列Ｄと関連付けることができる。密度行列はＬＣＡＯ係数から計算することができる。Ｆの生成（ステップＳＢ−４）、Ｆの対角化（ステップＳＢ−５）、密度行列の生成（ステップＳＢ−６）の各ステップを密度行列が収束するまで行う。
【００８５】
そして、蛋白質活性部位予測装置１００は、軌道エネルギーや分子軌道の係数を取得し（ステップＳＢ−８）、系のエネルギーを求める（ステップＳＢ−９）。これにて、分子軌道計算処理が終了する。
【００８６】
再び図５に戻り、蛋白質活性部位予測装置１００は、ステップＳＡ−２において求めた分子軌道等の情報に基づいてフロンティア軌道とその周辺軌道から候補アミノ酸残基を決定する（ステップＳＡ−３）。ここで、フロンティア軌道とその周辺軌道による候補アミノ酸残基決定処理の詳細について図７を参照して説明する。図７は、本実施形態における本システムのフロンティア軌道とその周辺軌道による候補アミノ酸残基決定処理の一例を示すフローチャートである。
【００８７】
まず、蛋白質活性部位予測装置１００は、計算した分子軌道が蛋白質のアミノ酸配列のうちどのアミノ酸残基に分布しているかを帰属する（ステップＳＣ−１）。ここで、分子軌道計算を行うと、出力として、各分子軌道について２つの情報『分布の仕方』、『軌道エネルギー』が得られるが、ここでは『分布の仕方』の情報より、各分子軌道がどの原子（アミノ酸残基）に分布しているかを特定する。ここで、各分子軌道のアミノ酸への帰属情報決定処理の詳細について図８を参照して説明する。図８は、本実施形態における本システムの各分子軌道のアミノ酸への帰属情報決定処理の一例を示すフローチャートである。
【００８８】
まず、Ｎ番目の分子軌道を取得し（ステップＳＤ−１）、原子ごとに原子に所属している基底関数の係数の２乗を足し合わせ（ステップＳＤ−２）、アミノ酸ごとにアミノ酸に所属する原子に所属する基底関数の係数の２乗和を足し合わせる（ステップＳＤ−３）。
【００８９】
そして、和が最も大きいアミノ酸をＮ番目の分子軌道が所属しているアミノ酸であると特定する（ステップＳＤ−４）。
【００９０】
また、図１１は分子軌道計算で得られた計算結果の一例を示す図である。図１１に示す例においては、５残基からなるオリゴペプチド（ＲＥＷＴＹ）を一例に説明する。本図によると、分子軌道１はアミノ酸残基Ｒ、分子軌道２はアミノ酸残基Ｔ、分子軌道３はアミノ酸残基Ｅ、分子軌道４はアミノ酸残基Ｗ、分子軌道５はアミノ酸残基Ｒ、分子軌道６はアミノ酸残基Ｙ、分子軌道７はアミノ酸残基Ｅに帰属する。
これにて、各分子軌道のアミノ酸への帰属情報決定処理が終了する。
【００９１】
次に、蛋白質活性部位予測装置１００は、フロンティア軌道とその周辺軌道を定義する。すなわち、フロンティア軌道計算部１０２ａは、最高被占軌道計算部１０２ｉおよび最低空軌道計算部１０２ｊの処理により最高被占軌道（ＨＯＭＯ）は分子軌道４に決定し、最低空軌道（ＬＵＭＯ）は分子軌道５に決定する。また、本実施形態において２ｅＶ以内の軌道エネルギーである分子軌道をフロンティア軌道の周辺軌道と定義すると、周辺軌道決定部１０２ｂは、分子軌道２、３、４、５、６までを周辺軌道と決定する。従って、候補アミノ酸残基決定部１０２ｆは、分子軌道２、３、４、５、６に対応するアミノ酸残基が、活性部位の候補アミノ酸残基として決定する（ステップＳＣ−２）。
【００９２】
次に、活性部位予測部１０２ｇは、特定アミノ酸残基除外部１０２ｋの処理により、機能部位候補として不適切なものを除外する（ステップＳＣ−３）。この例では、特定アミノ酸残基除外部１０２ｋは、分子軌道４は活性部位になる可能性が低いアミノ酸残基であるトリプトファンに分布しているので除外する。その結果、候補アミノ酸残基は分子軌道２、３、５および６に絞られる。
【００９３】
次に、活性部位予測部１０２ｇは、局在アミノ酸残基選択部１０２ｍの処理により、候補が空間的にどのように存在しているかを調べ、局在しているアミノ酸残基を選択する（ステップＳＣ−４）。図１２は、候補アミノ酸残基が蛋白質の立体構造中どの位置に存在しているかを確認するための表示画面の一例を示す図である。
【００９４】
図１２に示すように、既知のグラフィック表示プログラムにより、蛋白質の構造データを針金モデル、リボンモデル、パイプモデル、ボールアンドスティックモデル、または、空間充填モデルのうちいずれかのモデルによりグラフィック表示し、その中に候補アミノ酸残基を表示する。本図の場合は右のほうに偏ったクラスタリングが存在しているので、クラスタリングを形成する３つの候補が機能部位である可能性は高い。
これにて、フロンティア軌道とその周辺軌道による候補アミノ酸残基決定処理が終了する。
【００９５】
再び図５に戻り、蛋白質活性部位予測装置１００は、ステップＳＡ−２において求めた分子軌道等の情報に基づいて主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーから候補アミノ酸残基を決定する（ステップＳＡ−４）。ここで、主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーによる候補アミノ酸残基決定処理の詳細について図１０を参照して説明する。図１０は、本実施形態における本システムの主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーによる候補アミノ酸残基決定処理の一例を示すフローチャートである。
【００９６】
まず、蛋白質活性部位予測装置１００は、計算した分子軌道が蛋白質のアミノ酸配列を構成する原子のうちどの原子に分布しているかを帰属する（ステップＳＦ−１）。ステップＳＣ−１においてはアミノ酸ごとの分布を求めたが、ここでは原子ごとの分布を求める点が異なる。
【００９７】
ここで、図１３は分子軌道計算で得られた計算結果の一例を示す図である。本図によると、分子軌道１は原子番号１、分子軌道２は原子番号４、分子軌道５は原子番号１、分子軌道６は原子番号４、分子軌道７は原子番号２、分子軌道８は原子番号３、分子軌道９は原子番号１、分子軌道１０は原子番号４に帰属する。
【００９８】
次に、軌道エネルギー計算部１０２ｈは、特定の主鎖の重原子に帰属している分子軌道のみを抽出する（ステップＳＦ−２）。図１３に示す例において、主鎖Ｎ原子に着目すると、Ｒの主鎖Ｎ原子（原子番号１）には、分子軌道１、５、９が分布し、Ｅの主鎖Ｎ原子（原子番号４）には、分子軌道２、６、１０が分布する。
【００９９】
次に、軌道エネルギー計算部１０２ｈは、着目したものの中で、最もエネルギーの高い被占軌道を選択する（ステップＳＦ−３）。図１３に示す例において、分子軌道９および１０は空軌道なので除外すると、Ｒの主鎖Ｎ原子（原子番号１）は分子軌道５、Ｅの主鎖Ｎ原子（原子番号４）は分子軌道６が最もエネルギーが高いため軌道エネルギー計算部１０２ｈはそれぞれ選択する。すなわち、Ｒの軌道エネルギーについては−６ｅＶ、Ｅの軌道エネルギーについては−５ｅＶが代表エネルギーになる。
【０１００】
次に、軌道エネルギー計算部１０２ｈは、アミノ酸残基番号を横軸、代表エネルギーを縦軸にとり、代表エネルギーをプロットするプロット図を作成して（ステップＳＦ−４）、図中のピーク部分の周辺部位を候補アミノ酸残基として特定する（ステップＳＦ−５）。
これにて、主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーによる候補アミノ酸残基決定処理が終了する。
【０１０１】
再び図５に戻り、蛋白質活性部位予測装置１００は、活性部位予測部１０２ｇの処理により、候補アミノ酸残基の中から活性部位を選択して活性部位を予測する（ステップＳＡ−５）。ここで、候補アミノ酸残基比較処理の詳細について図９を参照して説明する。図９は、本実施形態における本システムの候補アミノ酸残基比較処理の一例を示すフローチャートである。
【０１０２】
図９に示すように、上述したフロンティア軌道および主鎖原子の軌道エネルギーを用いた手法により複数の候補アミノ酸残基を生成すると（ステップＳＥ−１）、活性部位予測部１０２ｇは、候補比較部１０２ｎの処理により、各手法による候補が一致するか判定し（ステップＳＥ−２）、一致しない場合には、前後のアミノ酸も候補に追加（一致しない場合には更に次のアミノ酸も追加）して上述の手法による候補決定手法を再び実行する（ステップＳＥ−３）。
【０１０３】
一方、ステップＳＥ−２において各手法による候補が一致する場合には、活性部位予測部１０２ｇはこの候補を活性部位として予測する（ステップＳＥ−４）。これにて、候補アミノ酸残基比較処理が終了する。
これにて、メイン処理が終了する。
【０１０４】
［本発明の実施例１；リボヌクレアーゼＴ１］
次に、本発明の実施例１の詳細について図１４〜図１７を参照して説明する。
加水分解酵素であるリボヌクレアーゼＴ１は実験的によく調べられていて、必須なアミノ酸残基はＨｉｓ４０、Ｇｌｕ５８、Ａｒｇ７７、Ｈｉｓ９２であるということが実験的に証明されている。
【０１０５】
リボヌクレアーゼＴ１ついて、Ｘ線結晶構造データに基づき市販のプログラムＩｎｓｉｇｈｔＩＩによって水素分子を付加して、分子軌道計算に必要な座標を完成した。そして、市販のプログラムＭＯＰＡＣ２０００を用いて最適化構造を求めた後に、電子状態を得た。蛋白質まわりに水分子を置き、さらに連続誘電体近似（ＣＯＳＭＯ法）を用いて溶媒の影響を考慮した。
【０１０６】
ここで、実施例１においてリボヌクレアーゼＴ１のフロンティア軌道が分布したアミノ酸残基を図１４に示す表に示す。
【０１０７】
図１４に示すように、活性部位の候補となりうるのは、ＨＯＭＯから２番目にＧｌｕ５８と、ＨＯＭＯから３番目にＨｉｓ４０、ＬＵＭＯから４番目のＨｉｓ９２、ＬＵＭＯから３番目にＡｒｇ７７が分布した。この４つのアミノ残基は近くに集まっているので、ここが活性部位であると容易に予想することができる。これは実験データと良く一致している。また、Ｈｉｓ４０とＧｌｕ５８が求核的に、Ａｒｇ７７とＨｉｓ９２が求電子的に働くと予想できる。つまり、従来の技術とは異なり、活性部位の位置だけではなく、反応のメカニズムを解析することができる。
【０１０８】
次に主鎖の窒素原子に着目した。図１５は、本実施例１において主鎖の窒素原子に分布している分子軌道の軌道エネルギーをアミノ酸の残基番号に対してプロットした図である。本図に示すようにアミノ酸残基番号４０、６０、８０、９０付近に軌道エネルギーの高い部分が現れる。また、本実施例１において軌道エネルギーが高いアミノ酸残基と軌道エネルギーとを抽出した表を図１６に示す。軌道エネルギーの高いアミノ酸残基の周辺にあるアミノ酸残基が活性部位の候補にある。
【０１０９】
また、図１４に示したフロンティア軌道による候補アミノ酸残基と、図１５および図１６に示した主鎖原子の軌道エネルギーによる候補アミノ酸残基の共通部分を抽出した表を図１７に示す。例えば、フロンティア軌道による方法で求核基の候補４つ、求電子基の候補４つを挙げた。また、主鎖原子の軌道エネルギーによる方法でピーク（５番目まで考慮する）となるアミノ酸残基から前後２残基ずつを候補とした。そして、お互いに共通しているものを挙げると、４０、５７、５８、７７、９２と５つがあがる。
【０１１０】
図１７により共通部分として抽出されたアミノ酸残基はいずれも実験で求められた活性に必要なアミノ酸残基（４０、５８、７７、９２）によく対応している（５７は５８に近いために活性部位と誤って判断された。）。
【０１１１】
［実施例２；リボヌクレアーゼＡ］
次に、実施例２の詳細について図１８から図２１を参照して説明する。加水分解酵素であるリボヌクレアーゼＡは実験的によく調べられていて、必須なアミノ酸残基はＨｉｓ１２、Ｈｉｓ１１９であるということが実験的に証明されている。
【０１１２】
リボヌクレアーゼＡついて、Ｘ線結晶構造データに基づき市販のプログラムＩｎｓｉｇｈｔＩＩによって水素分子を付加して、分子軌道計算に必要な座標を完成した。そして、市販のプログラムＭＯＰＡＣ２０００を用いて最適化構造を求めた後に、電子状態を得た。蛋白質まわりに水分子を置き、さらに連続誘電体近似（ＣＯＳＭＯ法）を用いて溶媒の影響を考慮した。
【０１１３】
ここで、本実施例においてリボヌクレアーゼＡのフロンティア軌道が分布したアミノ酸残基を図１８に示す表に示す。
【０１１４】
次に主鎖の窒素原子に着目した。図１９は、本実施例２において主鎖の窒素原子に分布している分子軌道の軌道エネルギーをアミノ酸の残基番号に対してプロットした図である。本図に示すようにアミノ酸残基番号１２、４７、１１７、７６、５３の付近に軌道エネルギーの高い部分が現れる。また、軌道エネルギーが高いアミノ酸残基と軌道エネルギーとを抽出した表を図２０に示す。軌道エネルギーの高いアミノ酸残基の周辺にあるアミノ酸残基が活性部位の候補にある。
【０１１５】
また、図１８に示したフロンティア軌道による候補アミノ酸残基と、図１９および図２０に示した主鎖原子の軌道エネルギーによる候補アミノ酸残基の共通部分を抽出した表を図２１に示す。例えば、フロンティア軌道による方法で求核基の候補４つ、求電子基の候補４つを挙げた。また、主鎖原子の軌道エネルギーによる方法でピーク（５番目まで考慮する）となるアミノ酸残基から前後２残基ずつを候補とした。そして、お互いに共通しているものを挙げると、１２、１４、１１９と３つがあがる。
【０１１６】
図２１により共通部分として抽出されたアミノ酸残基はいずれも実験で求められた活性に必要なアミノ酸残基（１２、１１９）によく対応している（１４は１２に近いために活性部位と誤って判断された。）。
【０１１７】
［他の実施の形態］
さて、これまで本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上述した実施の形態以外にも、上記特許請求の範囲に記載した技術的思想の範囲内において種々の異なる実施の形態にて実施されてよいものである。
【０１１８】
例えば、蛋白質活性部位予測装置１００がスタンドアローンの形態で処理を行う場合を一例に説明したが、蛋白質活性部位予測装置１００とは別筐体で構成されるクライアント端末からの要求に応じて処理を行い、その処理結果を当該クライアント端末に返却するように構成してもよい。
【０１１９】
また、実施形態において説明した各処理のうち、自動的に行なわれるものとして説明した処理の全部または一部を手動的に行うこともでき、あるいは、手動的に行なわれるものとして説明した処理の全部または一部を公知の方法で自動的に行うこともできる。
この他、上記文書中や図面中で示した処理手順、制御手順、具体的名称、各種の登録データや検索条件等のパラメータを含む情報、画面例、データベース構成については、特記する場合を除いて任意に変更することができる。
【０１２０】
また、蛋白質活性部位予測装置１００に関して、図示の各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。例えば、蛋白質活性部位予測装置１００の各部または各装置が備える処理機能、特に制御部１０２にて行なわれる各処理機能については、その全部または任意の一部を、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）および当該ＣＰＵにて解釈実行されるプログラムにて実現することができ、あるいは、ワイヤードロジックによるハードウェアとして実現することも可能である。なお、プログラムは、後述する記録媒体に記録されており、必要に応じて蛋白質活性部位予測装置１００に機械的に読み取られる。
【０１２１】
すなわち、ＲＯＭまたはＨＤなどの記憶部１０６などには、ＯＳ（ＯｐｅｒａｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）と協働してＣＰＵに命令を与え、各種処理を行うためのコンピュータプログラムが記録されている。このコンピュータプログラムは、ＲＡＭ等にロードされることによって実行され、ＣＰＵと協働して制御部１０２を構成する。また、このコンピュータプログラムは、蛋白質活性部位予測装置１００に対して任意のネットワーク３００を介して接続されたアプリケーションプログラムサーバに記録されてもよく、必要に応じてその全部または一部をダウンロードすることも可能である。
【０１２２】
また、本発明にかかるプログラムを、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納することもできる。ここで、この「記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ等の任意の「可搬用の物理媒体」や、各種コンピュータシステムに内蔵されるＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤ等の任意の「固定用の物理媒体」、あるいは、ＬＡＮ、ＷＡＮ、インターネットに代表されるネットワークを介してプログラムを送信する場合の通信回線や搬送波のように、短期にプログラムを保持する「通信媒体」を含むものとする。
【０１２３】
また、「プログラム」とは、任意の言語や記述方法にて記述されたデータ処理方法であり、ソースコードやバイナリコード等の形式を問わない。なお、「プログラム」は必ずしも単一的に構成されるものに限られず、複数のモジュールやライブラリとして分散構成されるものや、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）に代表される別個のプログラムと協働してその機能を達成するものをも含む。なお、実施の形態に示した各装置において記録媒体を読み取るための具体的な構成、読み取り手順、あるいは、読み取り後のインストール手順等については、周知の構成や手順を用いることができる。
【０１２４】
記憶部１０６に格納される各種のデータベース等（蛋白質構造データベース１０６ａおよび処理結果データ１０６ｂ）は、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ装置、ハードディスク等の固定ディスク装置、フレキシブルディスク、光ディスク等のストレージ手段であり、各種処理やウェブサイト提供に用いる各種のプログラムやテーブルやファイルやデータベースやウェブページ用ファイル等を格納する。
【０１２５】
また、蛋白質活性部位予測装置１００は、既知のパーソナルコンピュータ、ワークステーション等の情報処理端末等の情報処理装置にプリンタやモニタやイメージスキャナ等の周辺装置を接続し、該情報処理装置に本発明の方法を実現させるソフトウェア（プログラム、データ等を含む）を実装することにより実現してもよい。
【０１２６】
さらに、蛋白質活性部位予測装置１００の分散・統合の具体的形態は図示のものに限られず、その全部または一部を、各種の負荷等に応じた任意の単位で、機能的または物理的に分散・統合して構成することができる。例えば、各データベースを独立したデータベース装置として独立に構成してもよく、また、処理の一部をＣＧＩ（Ｃｏｍｍｏｎ　Ｇａｔｅｗａｙ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を用いて実現してもよい。
【０１２７】
また、ネットワーク３００は、蛋白質活性部位予測装置１００と外部システム２００とを相互に接続する機能を有し、例えば、インターネットや、イントラネットや、ＬＡＮ（有線／無線の双方を含む）や、ＶＡＮや、パソコン通信網や、公衆電話網（アナログ／デジタルの双方を含む）や、専用回線網（アナログ／デジタルの双方を含む）や、ＣＡＴＶ網や、ＩＭＴ２０００方式、ＧＳＭ方式またはＰＤＣ／ＰＤＣ―Ｐ方式等の携帯回線交換網／携帯パケット交換網や、無線呼出網や、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ等の局所無線網や、ＰＨＳ網や、ＣＳ、ＢＳまたはＩＳＤＢ等の衛星通信網等のうちいずれかを含んでもよい。すなわち、本システムは、有線・無線を問わず任意のネットワークを介して、各種データを送受信することができる。
【０１２８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて、フロンティア軌道とその周辺軌道、および／または、主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定し、当該フロンティア軌道とその周辺軌道の位置、および／または、当該軌道エネルギーに基づいて当該蛋白質または生理活性ポリペプチドの活性部位となるアミノ酸残基を予測するので、精度が高いと言われている分子軌道計算を利用し、フロンティア軌道の位置または軌道エネルギーの高い位置と反応部位との関係性を蛋白質または生理活性ポリペプチドの系に応用するため高い精度の活性部位予想を行うことができる活性部位予測方法、活性部位予測装置、プログラム、および、記録媒体を提供することができる。
【０１２９】
また、本発明によれば、目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得し、取得した構造データに基づいて蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めてフロンティア軌道を特定し、フロンティア軌道と予め定めたエネルギー差になる分子軌道を当該フロンティア軌道の周辺軌道として決定し、フロンティア軌道と周辺軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定し、決定された候補アミノ酸残基の中から活性部位を選択して活性部位を予測するので、精度が高いと言われている分子軌道計算を利用し、フロンティア軌道の位置と反応部位との関係性を蛋白質または生理活性ポリペプチドの系に応用するため高い精度の活性部位予想を行うことができる活性部位予測方法、活性部位予測装置、プログラム、および、記録媒体を提供することができる。
【０１３０】
また、本発明によれば、目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得し、取得した構造データに基づいて蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定し、特定された軌道エネルギーのうち予め定めた値を超える軌道エネルギーとなる分子軌道および／または相対的に軌道エネルギーが高い分子軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定するので、精度が高いと言われている分子軌道計算を利用し、軌道エネルギーの高い位置と反応部位との関係性を蛋白質または生理活性ポリペプチドの系に応用するため高い精度の活性部位予想を行うことができる活性部位予測方法、活性部位予測装置、プログラム、および、記録媒体を提供することができる。
【０１３１】
また、本発明によれば、目的の蛋白質または生理活性ポリペプチドの構造データを取得し、取得した構造データに基づいて蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めてフロンティア軌道を特定し、取得した構造データに基づいて蛋白質または生理活性ポリペプチドの電子状態を分子軌道計算によって求めて主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーを特定し、フロンティア軌道と予め定めたエネルギー差になる分子軌道を当該フロンティア軌道の周辺軌道として決定し、フロンティア軌道と周辺軌道が分布しているアミノ酸残基、および／または、特定された軌道エネルギーのうち予め定めた値を超える軌道エネルギーとなる分子軌道および／または相対的に軌道エネルギーが高い分子軌道が分布しているアミノ酸残基を活性部位の候補のアミノ酸残基として決定し、決定された候補アミノ酸残基の中から活性部位を選択して活性部位を予測するので、精度が高いと言われている分子軌道計算を利用し、フロンティア軌道の位置または軌道エネルギーの高い位置と反応部位との関係性を蛋白質または生理活性ポリペプチドの系に応用するため高い精度の活性部位予想を行うことができる活性部位予測方法、活性部位予測装置、プログラム、および、記録媒体を提供することができる。
【０１３２】
さらに、本発明によれば、分子軌道計算において、以下の３つの計算条件
１）蛋白質または生理活性ポリペプチドのまわりに水分子を発生させる、
２）蛋白質または生理活性ポリペプチドの周りに連続的な誘電体を置く、
３）蛋白質または生理活性ポリペプチド表面の解離性アミノ酸残基を無電荷の状態にし、内部に埋まっている解離性アミノ酸を電荷状態にする、
のうち少なくとも一つの計算条件を設定するので、３つの計算条件を適宜設定することにより、効率的に分子軌道計算を実行することができ、さらに、活性部位予測の精度を大幅に向上させることができる活性部位予測方法、活性部位予測装置、プログラム、および、記録媒体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本原理を示す原理構成図である。
【図２】本発明が適用される本システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図３】フロンティア軌道計算部１０２ａの構成の一例を示すブロック図である。
【図４】活性部位予測部１０２ｇの構成の一例を示すブロック図である。
【図５】本実施形態における本システムのメイン処理の一例を示すフローチャートである。
【図６】本実施形態における本システムの分子軌道計算処理の一例を示すフローチャートである。
【図７】本実施形態における本システムのフロンティア軌道とその周辺軌道による候補アミノ酸残基決定処理の一例を示すフローチャートである。
【図８】本実施形態における本システムの各分子軌道のアミノ酸への帰属情報決定処理の一例を示すフローチャートである。
【図９】本実施形態における本システムの候補アミノ酸残基比較処理の一例を示すフローチャートである。
【図１０】本実施形態における本システムの主鎖の重原子に局在する軌道エネルギーによる候補アミノ酸残基決定処理の一例を示すフローチャートである。
【図１１】分子軌道計算で得られた計算結果の一例を示す図である。
【図１２】候補アミノ酸残基が蛋白質の立体構造中どの位置に存在しているかを確認するための表示画面の一例を示す図である。
【図１３】分子軌道計算で得られた計算結果の一例を示す図である。
【図１４】実施例１においてリボヌクレアーゼＴ１のフロンティア軌道が分布したアミノ酸残基を示す図表である。
【図１５】本実施例１において主鎖の窒素原子に分布している分子軌道の軌道エネルギーをアミノ酸の残基番号に対してプロットした図である。
【図１６】本実施例１において軌道エネルギーが高いアミノ酸残基と軌道エネルギーとを抽出した図表である。
【図１７】本実施例１において図１４に示したフロンティア軌道による候補アミノ酸残基と、図１５および図１６に示した主鎖原子の軌道エネルギーによる候補アミノ酸残基の共通部分を抽出した図表である。
【図１８】実施例２においてリボヌクレアーゼＡのフロンティア軌道が分布したアミノ酸残基を示す図表である。
【図１９】本実施例２において主鎖の窒素原子に分布している分子軌道の軌道エネルギーをアミノ酸の残基番号に対してプロットした図である。
【図２０】本実施例２において軌道エネルギーが高いアミノ酸残基と軌道エネルギーとを抽出した図表である。
【図２１】本実施例２において図１８に示したフロンティア軌道による候補アミノ酸残基と、図１９および図２０に示した主鎖原子の軌道エネルギーによる候補アミノ酸残基の共通部分を抽出した図表である。
【符号の説明】
１００　蛋白質活性部位予測装置
１０２　制御部
１０２ａ　フロンティア軌道計算部
１０２ｂ　周辺軌道決定部
１０２ｃ　水分子設定部
１０２ｄ　誘電体設定部
１０２ｅ　電荷設定部
１０２ｆ　候補アミノ酸残基決定部
１０２ｇ　活性部位予測部
１０２ｈ　軌道エネルギー計算部
１０２ｉ　最高被占軌道計算部
１０２ｊ　最低空軌道計算部
１０２ｋ　特定アミノ酸残基除外部
１０２ｍ　局在アミノ酸残基選択部
１０２ｎ　候補比較部
１０２ｐ　構造データ取得部
１０４　通信制御インターフェース部
１０６　記憶部
１０６ａ　蛋白質構造データベース
１０６ｂ　処理結果データ
１０８　入出力制御インターフェース部
１１２　入力装置
１１４　出力装置
２００　外部システム
３００　ネットワーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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