（様式 20）成果報告書

平成 27 年度 TSUBAME 産業利用トライアルユース 成果報告書

Steered Molecular Dynamics 法による高分子膜とタンパク質の相互作用解析
Analysis of interaction between protein and polymer membrane by Steered Molecular Dynamics simulation.
三枝 俊亮
Shunsuke Mieda
旭化成株式会社 基盤技術研究所
Analysis & Simulation Center, Asahi Kasei Corporation
http://www.asahi-kasei.co.jp
Steered Molecular Dynamics 法を用いて高分子膜に対するタンパク質の吸着の強さを評価した。高分子膜モデルとしてアモルファスの薄膜を用いた計算で、実測結果と合う計算結果が得られることがわかった。また、
SMD の引っ張り速度やサンプリング回数を変えた計算を行い、計算条件の最適化を検討した。更に、高分子膜に対して平行な方向に SMD シミュレーションを行うことで、タンパク質の吸着方向による相互作用の違いを評価した。
We have performed a Steered Molecular Dynamics simulation for the prediction of polymermembrane-protein interaction. It was found that the amorphous polymer membrane was valid for amodel. Moreover, we considered the various calculation conditions such the pulling velocity, theamount of sampling and the absorption direction of protein.

Keywords: Steered Molecular Dynamics, 高分子膜, タンパク質, ファウリング, MD シミュレーション

背景と目的
医療分野で幅広く使用されている透析膜は、セルロ「柔らかい」材料への吸着を評価できる手法の検討を行うことを目的とした。

ース系膜と合成高分子系膜の 2 種類に大別される。そ本研究では Steered Molecular Dynamics 法（SMD）をの中でも合成高分子系膜は生体適合性の向上が課題

用いてタンパク質―高分子膜間の吸着の強さを評価しであり、当社でも研究開発が進められている。同時に、た。SMD は高分子膜に吸着したタンパク質を引きはが血液中のタンパク質による高分子系膜へのファウリンし、その力の強さから自由エネルギーを計算する手法

グによる細孔の詰まりや、意図しない生体反応が開発であり、AFM の測定結果と比較可能である。SMD の試課題となっている。より高品質の製品の設計・開発のた

行回数による結果の違いや、高分子の種類による吸着めにも、ファウリング現象の分子レベルでの理解は必力を計算し、実測結果と比較することで SMD 計算の条須となっている。しかし、AFM などの実測による高分子件による精度の評価を行った。

膜へのタンパク質の吸着性評価では、タンパク質の方向による吸着性の差異評価や、タンパク質のどの部位概要が吸着へ大きく寄与するかなど、原子レベルの詳細な本研究では高分子膜としてアモルファスの薄膜を用解析を行うことは難しい。

いた（図１）。

そこで、当社ではファウリングを抑制するための、高図１のモデルを初期構造とし、SMD 法を用いて脱離分子の設計・解析手法のひとつとして計算機シミュレー

過程における Potential Mean Force（PMF）を計算しションに注目している。しかし、タンパク質の吸着を評価たところ、実験結果を概ね再現できる結果が得られた。

するシミュレーションはこれまでも広く行われてきたが、SMD の引っ張り速度を複数検討し、最大で 36 回のサ無機結晶固体表面など「固い」材料への吸着が主であンプリングを試行して誤差を評価した。なお、タンパク質り、高分子膜などの「柔らかい」材料への吸着評価は大は高分子膜に対して垂直の方向への引っ張りを行っ幅な近似を適用ものしか行われていない。このため、た。

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図１：アモルファスの高分子薄膜とタンパク質モデル。

図２：GPU の有無による Lysozyme の RMSD の違い

その結果、3.5 Å/ns の引っ張り速度で SMD シミュレーションを行えば、少ない試行回数であっても定量的な比較が可能であることが分かった。また、タンパク質の吸着方向による相互作用の違いは、吸着したタンパク質を高分子膜に対して平行方向の SMD シミュレーションを行うことによって評価することが出来た。

結果および考察タンパク質として Lysozyme（PDB ID: 3WUM）を使用 し 、 高 分 子 膜 と し て 2-Methacryloyloxyethyl

図３：引っ張り速度による PMF の違い-phosphorylcholine(MPC) 、 2-Trimethylammoniumethylmethacrylatechloride (TMAEMA)、3-sulfo-

次に、SMD シ ミュレーシ ョンの引っ張り速度による

propylmethacrylate potassium salt (SPMA) 、PMF の比較を行った。図３では SPMA 膜を使用した結n-Butyl methacrylate (BMA)を用いた。BMA のみ果であり、いずれもサンプリング 36 回のアンサンブル疎水性ポリマーであり、MPC, TMAEMA, SPMA はい平均の結果を示している。グラフの横軸はタンパク質のずれも親水性ポリマーである。シミュレーション中での中心座標の初期位置からの距離である。引っ張り速度

溶解を防ぐために、一部の原子の座標を固定した。まが速いほど吸着の PMF を高く評価することが分かった。

た、シミュレーションソフトウェアとしては NAMD を用いまた、引っ張り速度が速い場合は溶媒の水からの影響た。

を強く受けるため、高分子膜から十分離れた位置におGPU を用いて計算した時の影響を評価するために、GPU を使用しない場合と使用した場合のそれぞれでいても PMF は収束していない。このことから、引っ張り速度は 3.5Å/ns とする必要があると考えられる。

Lysozyme の RMSD の計算を行った。RMSD 計算のサンプリング回数による誤差評価、および高分子膜際には分子力場としては CHARMM、AMBER の 2 通の種類による吸着力の違いを図４に示す。図４におけりを用いた（図２）。いずれの力場でも GPU の有無によるエラーバーは標準誤差である。5 回程度のサンプリンって RMSD はほぼ変化しないことがわかった。ただし、グでも半定量的な結果が得られており、36 回以上のサ若干の違いはみられるため、より長いシミュレーションンプリングでほぼ定量的な議論が出来るようになることなどでは誤差が蓄積する可能性もあると考えられる。まが分かった。

た、AMBER 力場の方が GPU の有無による差は少ない傾向にあった。

親水性ポリマーの吸着の強さは SPMA が最も強く、TMAEMA が最も弱い。これは AFM による実測結果

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図５：高分子膜に対して平行方向への SMD
図４：サンプリング回数による誤差評価、および高分子膜の種類による吸着力の違いとも合致した傾向であった[1]。一方、疎水性ポリマーである BMA は SPMA よりも低い PMF であり、AFM の結果と一致しない。これは今回行ったシミュレーションがアモルファス膜を使用したものである一方、AFM による実測結果はブラシポリマーによる評価であるためだと考えられる。このように、親水性ポリマーと疎水性ポリマーの比較はモデルを更に検討する必要があるが、親水性ポリマー同士の比較は現時点でも可能であると

図６：タンパク質の吸着方向による高分子膜とのいえる。

相互作用エネルギーの違い

タンパク質の吸着方向による高分子膜との相互作用の違いは、膜に吸着させたタンパク質を膜に対して平行な方向に引っ張り、各点で相互作用エネルギーを計まとめ、今後の課題算して評価した（図５，６）。図５に示した通り、SPMA 膜

SMD 法を用いてタンパク質の高分子膜への吸着ののような吸着力の強い高分子膜であれば、平行方向に強さを評価した。引っ張り速度やサンプリング回数など引っ張ることでタンパク質は膜に吸着したまま回転する計算条件の検討を行った。高分子膜の種類を変えた計ことが分かった。この時の各点における相互作用エネ算も行い、測定結果とも合う結果が得られた。タンパク

ルギー計算することで、タンパク質がどの方向で吸着し質の吸着方向による高分子膜との相互作用の違いをやすいかを評価することが可能である。図６にタンパク評価する方法についても提案を行った。

質の吸着方向による高分子膜との相互作用エネルギーの違いを示す。最初の吸着位置におけるタンパク質今後はアモルファスの膜モデルだけではなくブラシやコポリマーでの評価も行っていく予定である。の中心位置を 0 とし、引っ張った距離を横軸とした。吸
着方向によって相互作用エネルギーが大きく異なるた

参考文献

め、吸着の強さを評価する際にはタンパク質の方向も[1] S. Sakata, Y. Inoue and K. Ishihara Langmuir,

重要であることが分かった。

31, 3108−3114 (2015).