（様式 20）成果報告書

TSUBAME 共同利用 平成 30 年度 学術利用 成果報告書

GPU 加速化フラグメント分子軌道法プログラムの開発と応用
Development and Application of GPU-Accelerated Fragment Molecular Orbital Program
鬼頭 宏任
Hirotaka Kitoh-Nishioka
JST さきがけ、筑波大学 計算科学研究センター
JST-PRESTO and Center for Computational Sciences, University of Tsukuba
https://www.ccs.tsukuba.ac.jp
邦文抄録
GPU 加速化したフラグメント分子軌道(FMO)法プログラム”OpenFMO”の生体系への応用を目指し、DNA光回復酵素の電子移動反応研究を行なった。 DNA 光回復酵素の補欠分子フラビン補因子 FAD が光還元される際、遺伝的に高く保存された三つ組トリプトファン(TRP-triad)を通って高効率で高速(数百ピコ秒)な電子移動反応が起こる。この研究で我々は、GPU 加速化された分子動力学(MD)シミュレーションと FMO 計算を組み合わせた手法を用いて、Class II/III DNA 光回復酵素で新規に見つかった TRP-triad で、効率的な電荷移動が起こることを理論的に明らかにした。
英文抄録
We have developed a GPU-accelerated FMO (fragment molecular orbital) method program calledOpenFMO. In this project, toward the efficient application of the OpenFMO program to biologicalelectron-transfer (ET) reactions, we have studied the photoactivation process in class II and III DNA
photolyases by using the combined method of GPU-accelerated molecular dynamics (MD) simulations
and FMO calculations. Our simulations confirmed that an efficient ET reaction can occur through atriad of tryptophan (TRP) residues which were newly found by recent X-ray crystal structurestudies.
Keywords: フラグメント分子軌道法、電子移動、DNA 光回復酵素、GPU 加速化 MD シミュレーション

背景と目的行った。その結果、Class II/III DNA 光回復酵素で新量子効果が顕著に関与する生体機能の微視的メカ

規に見つかった三つ組トリプトファン(TRP-triad)を介しニズムを第一原理的に明らかにするためには、巨大分て効率的な電荷移動が起こることを初めて理論的に明子である蛋白質の電子状態を解く必要がある。フラグメ

らかにした。

ント分子軌道(FMO)法は、巨大分子を小さなフラグメントに分割し、その電子状態から分子全体の電子状態を概要近似するオーダーN 第一原理電子状態計算手法であDNA 光回復酵素では、遺伝的に高く保存された三る 。 我 々 は 、 GPU 化 さ れ た FMO 法 プ ロ グ ラ

つ組トリプトファン(Trp-triad)を使った高速(数百ピコム”OpenFMO”の開発を行っている。

秒)で効率な ET 反応により、フラビン補欠分子 FAD がこれまで、リゾチウム蛋白質(1,961 原子)やインフル光還元される。最近の X 線結晶構造解析から、Classエンザ HA3 蛋白質(23,460 原子)などの全エネルギー・II/III の DNA 光回復酵素では、従来の Trp-triad とベンチマーク計算から、OpenFMO プログラムの GPUは異なる Trp-triad が存在することが分かり、その電子加速化性能評価を行ってきた。一方、生体機能への応移動経路としての役割が注目されている。(図 1)

用研究はまだ行われていない。
そこで本プロジェクトでは、蛋白質中の生体電子移動(ET)反応に対して、GPU 加速化・分子動力学(MD)シミュレーションと FMO 計算を組み合わせた応用研究を

そこでこれらの新規 Trp-triad 中の各 ET 反応をMarcus の速度式(1)を基に解析する。

（様式 20）成果報告書
ΔG は反応の自由エネルギー差、λは再配置エネル
ギー、Ti,j はサイト間(i,j)の電子移動積分で、反応速度はこの三つのパラメータによって決定される。ET による分極変化に対する線形応答を仮定すると、分子動力学(MD)シミュレーションと以下の式(2)(3)を使って、とを評価することができる。
図 2 (a) MD 積算時間に対する自由エネルギーギャッ
プ計算結果 (b) ET 反応のエネルギーダイアグラム
ここで<ΔE>x=<Ej-Ei>x で、< >x は電荷状態 x でのMD トラジェクトリー上アンサンブル平均を意味する。Eiは電荷状態 i での系のポテンシャルエネルギーである。
Class I/II/III の結晶構造を一辺 105Åの TIP3P
water cubic box に配置し、T=300K の NPT アンサン
ブルで、GPU 版 NAMD プログラムによる MD シミュレーションを実行した。
電子移動積分 Ti,j は、FMO-LC-BLYP/cc-pVDZ レベルの計算を行なった。

CPDI の Trp-triad 経路で∆𝐺が常に負の値を持つことから、FAD 光還元で生じた W382 上のホールが、Trp-triad を使って一方向的に蛋白質表面へと移動する``熱力学的なダウンヒル勾配”が存在していることが分かる。一方、CPDII の新規 Trp-triad では、ET12 ス
テップはアップヒルであるが、ET23 で∆𝐺が大きな負の値を持つことからトータルとしてはダウンヒルになり、こちらも一方向的な電子移動がおこることが分かる。
式(1)に示すように、ET 反応速度は電子移動積分 Ti,jの二乗に比例する。そこで、MD スナップショットに対して、 FMO 法 から 計 算し た Ti,j の 結 果 を、 CPDI とCPDII で比較した。図３で示すように、CPDII の方が構造ゆらぎの影響が強く、大きな Ti,j 値を持つことが分

図１. (a) Class III と(b) Class I/II DNA 光回復酵素

かった。の Trp-triad

結果および考察
ここでは図 1(b)に示した、大腸菌(Ec) Class I DNA
光回復酵素(CPDI)と、古細菌(Mm) ClassII DNA 光回復酵素(CPDII)の結果を報告する。CPDI の通常
Trp-triad の W382-W359 間 ET を ET12、W359W306 間 ET を ET23 と呼ぶ。CPDII の新規 Trptriad の W381-W360 間 ET と W360-W388 間 ET もそれぞれ、ET12 と ET23 と呼び、それらの ET パラメ

図 3. FMO 法を用いた電子移動積分の計算結果ーター計算結果を比較した。
図 2(a)には、MD シミュレーション・アンサンブルの積まとめ算時間に対して式(2)から計算した ET 反応のΔG の計

この研究から、MD シミュレーションと FMO 計算算結果をプロットした。500ps で十分収束値に達していを組み合わせた手法を用いて、DNA 光回復酵素のるとみなし、その結果を用いて、図 2(b)には ET 反応の新規 Trp-triad を介する ET 反応の実態を、初めてエネルギーダイアグラムを書いた。

理論的に解析することに成功した。