分子動力学法による	  タンパク質の効率的構造探索に関して	
重田育照、鷹野優、原田隆平	  	  大阪大学大学院基礎工学研究科	  大阪大学蛋白質研究所	  理研AICS	  CREST,	  JST	Results	  in	  Last	  Year	  
1. Y.	  Kitagawa,	  T.	  Matsui,	  Y.	  Nakanishi,	  Y.	  Shigeta,	  T.	  Kawakami,	  M.	  Okumura,	  K.	  Yamaguchi,,	  Dalton	  Trans.	  42,	  16200-­‐16208	  (2013).	
2. S.	  Muhammad,	  H.	  Xu,	  Z.	  Su,	  K.	  Fukuda,	  R.	  Kishi,	  Y.	  Shigeta,	  M.	  Nakano,	  Dalton	  Trans.	  42,	  15053-­‐15062	  (2013).	
3. K.	  Koyanagi,	  Y.	  Kita,	  Y.	  Shigeta,	  M.	  Tachikawa,	  ChemPhysChem.	  14,	  3458-­‐3462	  (2013).	
4. T.	  Inui,	  Y.	  Shigeta,	  K.	  Okuno,	  T.	  Baba,	  R.	  Kishi,	  M.	  Nakano,	  J.	  Comp.	  Chem.	  34,	  2345-­‐2352	  (2013).	
5. K.	  Okuno,	  Y.	  Shigeta,	  R.	  Kishi,	  M.	  Nakano,	  Chem.	  Phys.	  Le5.	  585,	  201-­‐206	  (2013).	
6. K.	  Okuno,	  Y.	  Shigeta,	  R.	  Kishi,	  M.	  Nakano, J.	  Phys.	  Chem.	  Le5.	  4,	  2418-­‐2422	  (2013).	
7. T.	  Matsui,	  Y.	  Kitagawa,	  Y.	  Shigeta,	  M.	  Okumura,	  J.	  Chem.	  Theor.	  Comp.	  9,	  2974–2980	  (2013).	
8. K.	  Koizumi,	  M.	  Boero,	  Y.	  Shigeta,	  A.	  Oshiyama,	  J.	  Phys.	  Chem.	  Le5.	  4,	  1592–1596	  (2013).	
9. M.	  Nakano,	  R.	  Kishi,	  H.	  Fukui,	  T.	  Minami,	  K.	  Yoneda,	  S.	  Minamide,	  Y.	  Inoue,	  T.	  Yamada,	  S.	  Ito,	  S.	  Muhammad,	  Y.	  Shigeta,	  T.	  Kubo,	  B.	  Champagne,	  Int.	  J.	  Quantum	  Chem.	  113,	  585-­‐591	  (2013).	
10.S.	  Muhammad,	  T.	  Minami,	  H.	  Fukui,	  K.	  Yoneda,	  S.	  Minamide,	  R.	  Kishi,	  Y.	  Shigeta,	  M.	  Nakano,	  Int.	  J.	  Quantum	  Chem.,	  113,	  592-­‐598	  (2013).	
11.K.	  Yoneda,	  S.	  Minamide,	  T.	  Yamada,	  S.	  Ito,	  T.	  Minami,	  R.	  Kishi,	  Y.	  Shigeta,	  M.	  Nakano,	  Int.	  J.	  Quantum	  Chem.	  113,	  605-­‐611	  (2013).	
12.Y.	  Shigeta,	  T.	  Inui,	  T.	  Baba,	  K.	  Okuno,	  H.	  Kuwabara,	  R.	  Kishi,	  M.	  Nakano,	  Int.	  J.	  Quantum	  Chem.	  113,	  348-­‐355	  (2013).	
13.A.	  Konishi,	  Y.	  Hirao,	  K.	  Matsumoto,	  H.	  Kurata,	  R.	  Kishi,	  Y.	  Shigeta,	  M.	  Nakano,	  K.	  Tokunaga,	  K.	  Kamada,	  T.	  Kubo,	  J.	  Am.	  
Chem.	  Soc.	  135,	  1430-­‐1437	  (2013).	
14.T.	  Matsui,	  Y.	  Kitagawa,	  M.	  Okumura,	  Y.	  Shigeta,	  S.	  Sakaki,	  J.	  Comp.	  Chem.	  34,	  21-­‐26	  (2013).	
15.S.	  Muhammad,	  K.	  Fukuda,	  T.	  Minami,	  R.	  Kishi,	  Y.	  Shigeta,	  M.	  Nakano,	  Chem.	  Euro.	  J.	  19,	  1677-­‐1685	  (2013).	  
16.“TheoreYcal	  Studies	  on	  ReacYon	  Mechanism	  of	  An	  Enzyme	  Cleaving	  Unnatural	  Amide	  Compound”,	  Symposium	  on	  Molecular	  Science	  and	  Synthesis	  of	  FuncBonal	  Molecules	  for	  Next	  GeneraBon,	  10-­‐11	  March	  ,	  Hiroshima,	  Japan.	  
17.“Quantum	  chemical	  studies	  for	  esBmaBon	  of	  pKa	  and	  redox	  potenBal”,	  World	  Congress	  on	  Petrochemistry	  and	  Chemical	  Engineering,	  Nov	  17-­‐19,	  San	  Antonio	  USA.	  
18.	  “Free	  Energy	  Analyses	  on	  Cluster	  DeformaYons	  by	  Cumulant	  Mechanics”,	  8th	  Congress	  of	  the	  InternaBonal	  Society	  for	  TheoreBcal	  Chemical	  Physics,	  Aug.	  25th-­‐31st	  2013,	  Budapest,	  Hungary.	  
19.“構造ゆらぎと化学反応に関する理論的研究”、分子科学会奨励賞受賞講演、Sep.	  24th-­‐27th	  2013、京都.	  
20.第2回大阪大学総長奨励賞・研究部門 (2013),	  大阪大学	  (Japan).	

Structure	  Modeling	  Dependence	  バルクから	切り出した構造

クラスター

Bulk	  Si:	  diamond	  structure	  モデルによって物性は大きく変化するが、	  自然（安定）かつ望みの物性の系を探索することは困難	Methodology	  for	  Finding	  Minima	  and	  TS	  ConformaConal	  search	  techniques	  " Energy	  MinimizaYon	  	  (OpYmizaYon;	  BFGS,	  NEB,	  GRRM)	  " Monte	  Carlo	  " Molecular	  Dynamics	  （MetaDyn,	  MUCA,	  RE,	  FMM）	  " Others:	  GeneYc	  Algorithm,	  informaYcs	  マテリアルインフォマティクスの観点から、	  構造・電子状態探索はこの分野に取って非常に重要な問題	

Diversity	  in	  Structures	  Energy	  (kJ/mol)	  Ar13の最安定構造はIh構造だが	  それ以外にも複数の準安定構造が	  多数存在する	  	  c.f.	  LJ13	  cluster	  1510	  minima	  29007	  transiYon	  states	  http://www-wales.ch.cam.ac.uk/CCD.html		

古典力場を用いる場合は、膨大な構造空間を網羅出来るかもしれないが、粒子数の増大に伴い限界に	Icosahedral	  DisconnecYvity	  diagram	  Ar13(from	  D.	  Wales)	  No. of Conf. ×∝ N

Cu	  Clusters	  by	  DFT	  CalculaCon	  101111121213	

Fernandez et al. Phys. Rev. B 70:165403(2004)	

Guvelioglu et al. Phys. Rev. Lett. 94:26103(2005)	

第一原理計算の場合、時間がかかるため、網羅できていない可能性が高く、論文によって構造がまちまち	  Global	  ReacCon	  Root	  Mapping	  (GRRM)	  !""!"#$%&#%$'"!()!#$%&'!'*+,($'-!./!
0112!334()))!*"+",-./5
6!

網羅的に漏れなく計算	  7!

8!
しかし、自由エネルギー解析は難しい	
9!
:!
Ohno, Y. Osada, Advances in Theory of Quantum Systems in Chemistry東北大and Physics,
281-394 (2012).!!
大野・前田博士提供	
QSCP	  K.
proceeding	  2012	Protein	  Folding:	  Funnel	  Hypothesis	  Entropy	  unfolded	  parYally	  folded	  folded	  Brooks et al., Science (2001).	

タンパク質の折りたたみは、自由エネルギー空間が漏斗状になっていると考えられているが、実時間でもミリ秒かかる	  本質的にレアイベント	  Protein	  Folding	  by	  Long-­‐Cme	  SimulaCon	  It needs “Vast” computational cost	

Science	  28	  October	  2011:	  Vol.	  334	  no.	  6055	  pp.	  517-­‐520	  	Parallel	  Cascade	  SelecCon	  MD(PaCS-­‐MD)	

Alternative to Anton withconventional program and cheep cost	

評価、選択と繰り返し計算による	  →ReacYve	  trajectoryの生成	Folding	  Process	  of	  Chignolin	  by	  PaCS-­‐MD	wChignolin	  (ArYﬁcial	  Protein)	  10	  residue	  with	  folded	  structure(138	  atoms)	  with	  Generalized	  Born	  Solvent	  Model	  	R.Harada	  et	  al,	  J.	  	  Chem.	  Phys.	  139,	  035103	  (2013)	

Ligand	  binding	  by	  PaCS-­‐MD	Baba,	  Harada,	  Nakano,	  YS	  in	  preparaYon	

FluctuaCon	  Flooding	  Method	  (FFM)	  for	  Enhancing	  ConformaConal	  Sampling	  of	  Proteins	
Ryuhei	  Harada†,§,	  Yu	  Takano‡,§,	  Yasuteru	  Shigeta¶,§	  	†RIKEN,	  Advanced	  InsYtute	  for	  ComputaYonal	  Science	  (AICS)	  ‡InsYtute	  for	  Protein	  Research,	  Osaka	  University	
¶Graduate	  School	  of	  Engineering	  Science,	  Osaka	  University	  §JST-­‐CREST	Scheme	  of	  FFM	MIMD:	  MulYple	  Independent	  Molecular	  Dynamics	  simulaYons	  MIUS:	  MulYple	  Independent	  Umbrella	  Sampling	  	VeriﬁcaCon	  of	  FFM	  (a	  Toy	  Model)	
!Non-­‐interacCng	  parCcle	  model	  with	  1-­‐D	  double	  well	  potenCal		  U(x) = [(x + 1) − 1][(x − 1) − 0.9]
22P(x) =exp[−U(x) / kBT ]∫ exp[−U(x) / k T ]dx
BJ.	  Phys.	  Chem.	  B	  1997,	  101,	  817-­‐824.	

FluctuaCon	  Flooding	  for	  Toy	  Model	• For	  50	  parYcles,	  perform	  106	  steps	  MD	  simulaYon	  via	  re-­‐generaBons	  of	  iniBal	  velociBes.	  
• Check	  minimum	  and	  maximum	  values	  of	  1D-­‐
coordinates	  for	  each	  parYcle	  of	  each	  trajectory	  as	  next	  ﬂooding	  points	  (as	  two	  coordinates).	  
minimum	●		  	  ↓	  The	  next	  ﬂooding	  point	

The	  trajectory	  of	  the	  i-th	  parYcle	maximum	
X	●		  	  	  ↓The	  next	  ﬂooding	  point	!The	  above	  cycle	  are	  repeated	  so	  that	  distribuCons	  are	  converged!	

VeriﬁcaCon	  (Toy	  Model)	
wConvergence	  of	  distribuYons	

wComparisons	  of	  distribuYons	

0	ConformaConal	  sampling	  by	  FFM	  well	  converged.	  	  	  	  	  A	  good	  correspondence	  with	  analyCcal	  form!	

T4	  Lysozyme	  (T4L)	  in	  Explicit	  Water	
wT4-­‐Lysozome	  (open	  structure)	  164	  residue	  (2643	  atoms)	

wT4-­‐Lysozome	  (closed	  structure)	  164	  residue	  (2643	  atoms)	

FFM	  →	  ConformaConal	  transiCon	  Open	  (150L,	  mutated	  back	  to	  WT)	  	  Closed	  (X-­‐ray,	  2LZM:	  Black)	  Closed	  (Predicted	  by	  FFM:	  Red)	  wThe	  minimum	  Cα	  RMSD	  0.76	  Å	  wParameters	  for	  MD	  simulaYons:	  AMBER	  PARM99SB,	  2643	  protein	  atoms,	  8876	  water	  molecule,	  8	  Cl-­‐	  ProjecCon	  onto	  PC1	  and	  PC2	  Spaces	

Red	  	  	  	  :	  10	  ns	  trajectory	  started	  from	  the	  open	  (150L,	  mutated	  back	  to	  WT)	  Green:	  10	  ns	  trajectory	  started	  from	  the	  closed	  (2LZM)	  Blue	  	  	  :	  100	  ps	  ×	  10	  trajectories	  (for	  10	  candidates)	  obtained	  from	  FFM	  on	  each	  cycle.	

FEL	  of	  T4L	  (CMD	  versus	  FFM)	
wCanonical	  long	  Yme	  (1	  μs)		  MD	  started	  from	  the	  open	  	  	  wFEL	  calculated	  by	  FFM	  and	  MIUS	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  (1	  ns	  ×	  100	  runs)	
×:	  X-­‐ray	  structure	  (the	  closed,	  2LZM)	

!FFM	  could	  ﬁnd	  the	  closed	  state	  as	  a	  local	  energy	  minimum,"	  	  although	  1-­‐μs	  long	  Cme	  CMD	  failed	  to	  ﬁnd	  the	  closed	  structure!	

Summary	◎ 短時間の複数の独立な短時間シミュレーションを用いて	  構造をサンプル（簡単かつ直感的に分かり易く）	  	  ◎ １次元のトイモデルにおいて、その精度の確認を行う	  	  ◎ T4リゾチームの閉構造を開構造から高精度に予測可能	  	  ◎ リガンド結合にも適用出来るかも	  	  現在査読中のコメント	  The	   authors	   present	   a	   new	   conformaYonal	   sampling	   method	   to	  ﬁnd	  and	  predict	  structural	  transiYons	  of	  proteins.	  (In	  my	  opinion,	  it	  doesn't	   have	   to	   be	   restricted	   to	   proteins,	   though).	   The	   idea	   of	  exploiYng	   large	   ﬂuctuaYons	   in	   relevant	   direcYons	   by	   resampling	  corresponding	  structures	  is	  a	  nice	  idea.	  	  Acknowledgement	◎Collaborators	

Osaka Univ.			 T. Baba (D2: Molecular dynamics simulation and enzymatic reaction of Nylonoligomerhydrolase)		 		 M. Nakano (Prof.: Nonlinear Optical Properties of Silicon)	

AICS		 		 Dr. R. Harada (PD: Induced fit and substrate binding of Nylonoligomer hydrolase)	

University of Nagoya			 Dr. K. Shiraishi (Prof.: Nonlinear Optical Properties of Silicon)	

Strasbourg Univ./CNRS/IPCMS			 Dr. M. Boero (Prof :Metadynamics Simulation using CPMD)		

◎Funding			○Grant-in-Aid for the scientific research on Innovative area “Computics” (No. 25104716) 	

○Grant-in-Aid for Young Scientists (A) (No. 22685003) from JSPS	○CREST Program "Post peta-scale” from JST	○Toyota Rikagaku Fellowship