「FMO法による計算創薬教程と計算環境の開発」
ICAシリーズ研究講演会「オープンコースによる人材育成」
2013年9月25日

中田吉郎（群馬大）、上林正巳（POEM)

概要
計算化学の手法と計算機の発展により、タンパク質など生体高分子の構造計算が可能になってきた。
医薬分子の探索にも、このような手法を基にした計算創薬と呼ばれる方法が広く使われるようになってきた。
創薬研究者がこのような計算を行うには、その基本となる理論化学や計算手法を学ばなければならない。しかし現在の日本の大学・大学院のカリキュラムにはこのような内容のものがほとんどない。
そこで我々は、創薬計算に必要な計算手法を演習をとおして学ぶオープンコースウェアとして作成し、公開することとした。

オープンコースウェア
2003年9月にMITより初めてオープンコースウェアが公開された。
始めは大学のシラバスや講義ノート程度のものが多かったが、現在ではYouTubeなどを利用したものまで見られるようになった。
現在、英語圏ではMIT、UCバークレー、ユタ州立大学などから充実した内容のものが公開されている。日本では約１８大学から公開されている。

ドッキング・シミュレーション
医薬分子などの低分子化合物と、その標的になる酵素などの生体高分子（標的分子）との複合体の安定構造を、コンピュータ上で計算的に推定する手法がドッキング・シミュレーションである。
正しいドッキング・シミュレーションを行うためには重要な条件がある。一つはシミュレーションに用いる分子構造の精度である。もう一つは分子間相互作用の計算の精度である。
FMO法と呼ばれる手法が開発され、生体高分子の電子状態まで計算できるようになってきた。これを利用することにより、よい精度の分子構造をシミュレーションに用いることが可能になった。
現在利用可能なアプリケーションとしては、AutoDock, Dock,MOE, InsightII, GOLDなどがある。

The CADU Platform
計算創薬の基礎課程

Essential CADU Courses (Graduate Level)
概要： 医薬品の研究開発についてある程度理解している研究者を対象に、創薬計算技法の基礎を学ぶ課程。

内容： 計算創薬の基礎となる分野は、計算化学、量子化学、バイオインフォマティックス、化学情報学などである。
それらを基にしたいくつかの計算技法について、自分のパソコンとCBI-Cloudコンピュータを用いて計算する方法と演習を解説する。

公開：

http://fmo.cbi.or.jp/ にアクセスすることにより利用可能

その中に「計算創薬の基礎コース」としてある。

Essential CADU Courses (Graduate Level)の計算技法
このコースでは、計算創薬の基礎学習に役立つ、自由に利用可能なソフトウェアを３種類用いる。

量子化学計算のための GAMESS （その中のFMO）というシステム
分子力場計算・分子動力学計算のためのというシステム

ドッキングシミュレーションのための AUTODOCK というシステム

Essential CADU Courses (Graduate Level) を学ぶためのコンピュータ環境
CBI Cloud コンピュータ

4台のLinux PC（６core CPU、８GB ECC memories）を並列に繋いだマシン
CBI Cloud (cluster)Linux-based four PCs, each of which has 6 core CPUs and 8GB ECC memories.

学習者のパソコン（インターネット環境）User (personal computer on internet)

Windowsマシン（Linux PC、Macでも可）参照；

PC_Setting.pdf

CBI Cloudへのアクセスの仕方
１ Get User ID and Password→

User ID = nakata

２ Tera Term VTでcloud.cbi.or.jpにログインする。
３ sshコマンドでfmo.cbi.or.jpにログインする。
[nakata@cloud “]＄ssh nakata@fmo.cbi.or.jp
nakata@fmo.cbi.or.jp.'s password: xxxxxxxx
Last login: ......................

４ rloginコマンドでfmo3101にログインする。
2012.04.11.10:29:33 [nakata@fmo.cbi.or.jp :/home/nakata]$ rlogin fmo3101
Last login: .....................
2012.04.11.10:29:44 [nakata@fmo3101 :/home/nakata]$

A Guide Map of Essential CADU Courses
An Outline of Courses

References, Exercises

1 Methods of Calculation
Cosconati.pdf Steinmann.pdf Adams.pdf Frearson.pdf
Williams.pdf Satyanarayarajois.pdf Sutch.pdf

2 Computer System for Calculation
PC setting.pdf AutoDock_Inst.pdf

3 PDB
PDB_use.pdf

4 GAMESS
FMO_1_PR.pdf FMO_2_NA.pdf

5 PEACHPEACH_1_BPTI.pdf PEACH_2_1FM9.pdf

6 AutoDock
AutoDock_1.pdf

AutoDock_2.pdf AutoDock_3.pdf

7 General Exercises
CADU_0_Data.pdf CADU_1_RET.pdf CADU_2_MM.pdf
CADU_3,4_FMO.ｐｄｆ (CADU_3A_Facio1.pdf CADU_4A_FMO.pdf)
CADU_5_Facio2.pdf CADU_6_Dock.pdf

ＰＤＢデータの利用計算に用いる分子の座標データは、Ｘ線結晶解析などで得られたデータを元にする。そのデータがない場合は、分子構造作成プログラムを用いて理論的に求める。
創薬計算の場合はタンパク質とか核酸分子が対象となるので、ＰＤＢというデータベースを利用することになる。
そこでＰＤＢの利用法について詳しく説明する。

参照：

PDB_use.pdf

ＰＤＢデータの問題点
１ Ｘ線結晶解析で得られた構造を計算科学に用いるためには、不足している情報がある。
○主鎖、側鎖の全てが見えている訳ではない。
○普通はデータに水素原子の座標が入っていない。
水素原子の座標を発生させるプロクラムが必要である。
利用できるプログラム； ＰＥＡＣＨ，ＦＡＣＩＯなど○結晶水のデータが含まれているが、その価値判断が必要２ 高精度な結晶構造の場合、ひとつの原子に対してＡ，Ｂふたつの座標があることがある。
どちらかの座標を消去する。
例； １ａｐｈ.ｐｄｂ
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM

29 N GLN A 518.366 45.838 34.342 1.00 16.84
30 CA GLN A 5
18.616 44.618 35.114 1.00 15.77
31 C GLN A 5
20.018 44.082 34.913 1.00 14.74
32 O GLN A 520.577 43.525 35.903 1.00 19.09
33 CB AGLN A 517.729 43.396 34.885 0.70 8.35
34 CB BGLN A 517.665 43.424 34.928 0.30 15.3935 CG AGLN A 5
16.235 43.597 35.046 0.70 16.68
36 CG BGLN A 5
16.192 43.768 35.114 0.30 14.06
37 CD AGLN A 5
15.397 43.000 33.942 0.70 35.32
38 CD BGLN A 5 15.903 44.598 36.336 0.30 18.03
39 OE1AGLN A 5
14.518 42.148 34.137 0.70 37.74
40 OE1BGLN A 5
16.583 44.539 37.362 0.30 26.17
41 NE2AGLN A 5
15.653 43.468 32.714 0.70 37.11
42 NE2BGLN A 5
14.873 45.437 36.298 0.30 23.44NCCOCCCCCCOONN

３ ＰＤＢフォーマットの間違いのため結合などが表示できない場合がある。
例； １ａ１３.ｐｄｂATOM 229 HB3 LEU A 14-5.994 -5.230 1.872 1.00 0.00
HATOM 230 HG LEU A 14-8.022 -3.133 1.679 1.00 0.00
H
ATOM 231 HD11 LEU A 14-6.646 -4.116 -0.840 1.00 0.00
HATOM 232 HD12 LEU A 14-8.195 -3.275 -0.810 1.00 0.00
H
ATOM 233 HD13 LEU A 14-6.732 -2.447 -0.278 1.00 0.00
H
ATOM 234 HD21 LEU A 14-8.261 -5.666 2.044 1.00 0.00
H
ATOM 235 HD22 LEU A 14-9.340 -4.941 0.851 1.00 0.00
H
ATOM 236 HD23 LEU A 14-7.915 -5.836 0.323 1.00 0.00
HHETATM 237 N NH2 A 15-4.346 -3.518 4.868 1.00 0.00
N
２３１，２３２，２３３の原子名が１ＨＤ１，１ＨＤ２，１ＨＤ３でなければいけない。

４ 異常接近した原子が存在することがある。
何らかのプログラムを使って、座標を修正する必要がある。
参照例； ＣＡＤＵ_２_ＭＭ．ｐｄｆ

FMO/GAMESSとは受容体蛋白質と薬物リガンドの結合における結合相互作用の解析が、FMO/GAMESSを使うことにより非経験的分子軌道法の精度近似で調べることができます。
従来、非経験的分子軌道法計算を蛋白質の様な生体高分子に適用することは不可能と考えられていました。しかしFMO法という手法により計算が可能となりました。
What is GAMESS？
GAMESS is a program for ab initio molecular quantum chemistry. Briefly, GAMESS can compute SCF
wavefunctions ranging from RHF, ROHF, UHF, GVB, and MCSCF. Correlation corrections to these SCF
wavefunctions include Configuration Interaction, second order perturbation Theory, and Coupled-Cluster
approaches, as well as the Density Functional Theory approximation. Excited states can be computed by CI,
EOM, or TD-DFT procedures. Nuclear gradients are available, for automatic geometry optimization,transition state searches, or reaction path following. Computation of the energy hessian permits predictionof vibrational frequencies, with IR or Raman intensities. Solvent effects may be modeled by the discrete
Effective Fragment potentials, or continuum models such as the Polarizable Continuum Model. Numerous
relativistic computations are available, including infinite order two component scalar corrections, withvarious spin-orbit coupling options. The Fragment Molecular Orbital method permits use of many ofthese sophisticated treatments to be used on very large systems, by dividing the computation into small
fragments. Nuclear wavefunctions can also be computed, in VSCF, or with explicit treatment of nuclear
orbitals by the NEO code.
from GAMESS Home Page

Fragment MO Method
An approximate ab initio molecular orbital method for large molecules

Outline of the method:・ A molecule is divided into N fragments
and ab initio MO calculations on thefragment and fragment pairs are performed.
・ The total energy of a molecule (E) iscalculated using the energies of thefragment (EI) and fragment pair (EIJ);
E＝ΣEIJ- (N -2)ΣEI

Advantages of the method:• has ab initio MO quality,
・ runs on small computers,
・ is efficient in massively parallel processing.

GAMESSの使い方と演習
１

自分のパソコンにFacio（フリーソフト）をインストールして、GAMESSの入力ファイルを作成する。
Facio は蛋白質座標データから FMO/GAMESS 用入力ファイルを作成し、結果を見るためのソフトウエアです。
Facio 15.1.1の導入

開発元 http://www1.bbiq.jp/zzzfelis/

ダウンロード http://www.scc.kyusyu-a.ac.jp/Facio/Facio1511.zip
使用法

http:/www.cbi.or.jp/Facio/FMOWorkshop.heml

２

CBI-Cloudに入力ファイルを転送して、計算を行う。

３

計算結果を自分のパソコンにダウンロードして、Facioで結果を表示し検討する。

演習課題
１

PDBより蛋白質データをダウンロードして、入力ファイルを作り、FMO（GAMESS）計算を行う。
参照ファイル：２

FMO_1_PR.pdf

核酸データの入力ファイルを作り、FMO(GAMESS)計算を行う。

参照ファイル：FMO_2_NA.pdf

What is PEACH？
コンピュータ上で分子の挙動をシミュレーションする手法がある。 その一つが、MD (Molecular Dynamics method; 分子動力学法)という計算法である。たとえばタンパク質の高次構造を推測するために、安定な状態を探したり、分子の折りたたみシミュレーションなどが可能である。
PEACHは古明地ら＊によって開発された生体分子のための分子動力学計算システムである。さらにABINIT-MPというFMOプログラムが組み込まれているので、量子分子動力学計算も可能である。

PEACH(Program for Energetic Analysis of bioCHemical molecules) is a
Molecular dynamics simulation software.

CBI-CloudでのPEACHの使い方
PEACHの各プログラムは /usr/local/peach/EXE のところに置いてある。

計算に必要なパラメータなどのデータファイルは /usr/local/peach/data にある。
オリジナルのマニュアル（英文）は /usr/local/peach/doc にある。

オリジナルのソースファイルは /usr/local/peach/src にある。
実行例は /usr/local/peach/demo にある。
PEACHの計算の進め方は/usr/local/peach/demo にある実行例（４つの分子系がある）を参照するとよい。
DNA_RNAGAS_PEPTPROT

PROT_DNA

手順は moltop_v moltop_w heat mdprod(md_mpi) analyze の順にシェルスクリプト（*.csh）を実行する。

PEACHの使い方と演習
A

自分のパソコンで、用いたいPDBファイルをダウンロードする。

B

CBI-CloudにPDBファイルを転送して、計算を行う。
計算の手順は

１ PDBファイルの加工

２ 溶質分子の真空中の分子トポロジーの作成
３

溶質、イオン、溶媒を含んだ分子トポロジーの作成

４

エネルギー極小化と昇温

５ 本計算

C

計算結果を自分のパソコンにダウンロードして、結果を検討する。

演習課題１： Protein Data BankよりBPTIの結晶構造を取ってきて、MD計算を行う。
参照ファイル：PEACH_1_BPTI.pdf

演習課題２： Protein Data Bankより１FM9の結晶構造を取ってきて、MD計算を行う。
参照ファイル：PEACH_２_１FM9pdf

What is AutoDock?
コンピューター上で分子の挙動をシミュレーションする手法の一つに、分子間のドッキングシミュレーションがある。ある分子が、別の分子のどの部位に、どのような形でドッキングするかを推定する。計算により、エネルギー的に安定なものをその候補とするのである。これは、例えば、生体内の分子の相互作用の解明に役立つほか、応用的には新薬の候補となる分子を探したりすることにも役立つ。
そ の た め に 使 う こ と が で き る オ ー プ ン ソ ー ス の ツ ー ル と し て Autodock(http://autodock.scripps.edu/)がある。提供元はScripps研究所の、A. J. Olson教授
率 い る 分 子 グ ラ フ ィ ッ ク ス 研 究 室 で あ る 。 AutoDock は 、 Grid Model に よ る LigandReceptor Dockingシミュレーションを行なうプログラムシステムである。
これはコマンドラインから使うツールだが、同研究室が提供するAutodock toolなるものを利用するとグラフィカル・ユーザー・インターフェイス上から利用できる（このツールはMGLToolsの一部である。http://mgltools.scripps.edu/）。これによって、画面上に3Dグラフィックスとして表示された分子模型を参照しながら作業することができる。

ＡＵＴＯＤＯＣＫの使い方と演習
1

自分のパソコンにCygwin、AutoDock，AutoDockTool（フリーソフト）をインストールして用いる。
参照：

2

AutoDock_Inst.pdf

長時間かかる計算の場合は、ＣＢＩ－Ｃｌｏｕｄに入力ファイルを転送して、計算を行う。

3

計算結果を自分のパソコンにダウンロードして、AutoDockTool（ＡＤＴ）で結果を表示し検討する。

AutoDockの演習
AutoDockのチュートリアルとして提供されている、HIV1-プロテアーゼとプロテアーゼ阻害剤インディナビルのシミュレーションを演習として行う。この複合体のX線結晶解析構造はPDBに１HGS.ｐｄｂとして登録されている。
１： 基本的な使い方

Autodock_1.pdf

２： ADTを用いた例

Autodock_2_ADT.pdf, Autodock_3_ADT.pdf

総合演習
１FM9.ｐｄｂのRXR（A鎖）とREA部分のドッキング・シミュレーションを行う。
The nuclear receptor PPARgamma/RXRalpha heterodimer(1FM９.pdb)

regulates glucose and lipid homeostasis

１ＦＭ９．Ｐｄｂ

ＲＸＲ＋ＲＥＡ

１ PDBより１FM９の座標をダウンロードする。
FireFox で http://www.pdb.org/ へ接続する。

CADU_0_DATA.pdf

２ Peachを用いて原子間に衝突がない座標にする。
2-1 リガンドのトポロジーファイルを作成する。

CADU_1_REA.pdf

2-2 MM法により座標を修正する。

CADU_2_MM.pdf

３ Facioを用いてGAMMESの入力ファイルを作成する。
CADU_3A_Facio1.pdf

４ CBI Cloudに入力ファイルを送り、FMO計算を行う。
CADU_4A_FMO.pdf

３，４ 座標をCBI Cloudに送り、FMO計算を行う。
CADU_3,4_FMO.pdf

５ Facioを用いてGAMMESの出力ファイルを解析する。
CADU_5_Facio2.pdf

６ AutoDockを用いてドッキングシミュレーションを行う。
CADU_６_Dock.pdf

References
GAMESS： http://WWW.msg.ameslab.gov/GAMESS/License_Agreement.html

PEACH： http://staff.aist.go.jp/y-komeiji/10.pdf
Autodock http://autodock.scripps.edu/wiki/AutoDock4

Virtual Screening with AutoDock: Theory and Practice.
創薬全般

Drug Discovery in academia- the third way?

Cosconati10.pdf

Frearson10.pdf

Open PhACTS: semantic interoperability for drug discovery. Williams12.pdf
創薬教育

Activ-Learning Exercises to Teach Drug-Receptor Interactions ina Medicinal Chemistry Course.

Satyanarayanajois10.pdf

Intergrated Teaching of Structure-Based Drug Design and Biopharmaceutics:

A Computer-Based Approach.
量子化学計算The Quixote project: Collaborative and Open Quantum Chemistrydata management in the Internet age
FMO

Sutch12.pdf
Adams11.pdf

The Effective Fragment Molecular Orbital Method for Fragments

Connected by Covalent Bonds.

Steinmann12.pdf