タンパク質構造予測
タンパク質構造予測 (たんぱくしつこうぞうよそく、英: protein structure prediction) は、タンパク質についてそのアミノ酸配列をもとに3次元構造(立体配座)を推定することであり、バイオインフォマティクスおよび計算化学における研究分野の一つである。専門的な言葉では「タンパク質の一次構造をもとに二次構造や三次構造を予測すること」と表現できる。構造予測は、逆問題であるタンパク質設計とは異なる。タンパク質のアミノ酸配列は一次構造と呼ばれる。タンパク質のアミノ酸配列は、その遺伝子が記録されたDNAの塩基配列から、遺伝コード(コドン)の対応表に基づいて、導出することができる。生体内において、ほとんどのタンパク質の一次構造は一意的に3次元構造(三次構造、コンフォメーション)を形成する。これをタンパク質が折りたたまれる(フォールディング)という。タンパク質の3次元構造を知ることは、そのタンパク質の機能を理解する上で有力な手がかりとなる。医学(例:医薬品設計)や、バイオテクノロジー(例:新しい酵素の設計)において重要な役割を果たしている。
タンパク質構造予測においては多くの手法が考案されている。それぞれの手法の性能は、2年ごとにCASP実験が行われ、評価されている。タンパク質構造予測ウェブサーバの継続的な評価は、コミュニティプロジェクトCAMEO3D(英語版)によって行われている。
タンパク質間の進化と構造の関係についてより一般的に使用される用語を以下に示す。この他にも、タンパク質のさまざまな種類の構造上の特徴を表す、多くの追加用語が使いられる。このような用語の説明は、CATH Webサイト、タンパク質立体構造分類データベース(SCOP)Webサイト、スイスのバイオインフォマティクスExpasy Webサイトに掲載されているグラクソ・ウエルカムチュートリアルなどに掲載されている。
de novoまたはab initioのタンパク質モデリング手法は、「最初から」、つまり過去に解明された構造ではなく(直接)物理的な原理に基づいて、三次元のタンパク質モデルを構築することを目的としている。タンパク質フォールディングを模倣する方法や、確率的(英語版)手法を用いて可能性が高い解を探索する方法(適切なエネルギー関数の大域的最適化(英語版)など)など、さまざまな方法が考案されている。これらの方法は膨大なコンピュータ資源を必要とするため、これまでは小さなタンパク質に対してしか行われていなかった。大規模なタンパク質の構造を新たに予測するには、より優れたアルゴリズムと、強力なスーパーコンピュータ(IBM Blue Gene、NEC SX、MDGRAPE-3など)や分散型コンピューティング(Folding@home、Rosetta@Home、ヒトプロテオーム・フォールディング・プロジェクト(英語版)など)が提供する大規模な計算資源が必要になる。これらの計算上の障壁は広大なものであるが、構造ゲノミクスの潜在的な利益のために(予測法または実験法による)、de novo(ab initio)構造予測は活発な研究分野となっている。
2009年の時点で、50残基のタンパク質をスーパーコンピュータ上で1ミリ秒の間、原子ごとにシミュレートすることができる。2012年の時点では、新しいグラフィックカードとより洗練されたアルゴリズムを備えた標準的なデスクトップコンピュータで、同等の安定状態のサンプリングが可能である。粗視化モデリング(英語版)を使用すると、はるかに大きなシミュレーションのタイムスケールを得ることができる。
三次元構造における二次構造の相対的な向きであり、類似のループ構造を共有しているかどうかに関わらず表したもの。
タンパク質設計
タンパク質機能予測(英語版)
タンパク質構造予測ソフトウェアの一覧(英語版)
de novoタンパク質構造予測
分子設計ソフトウェア(英語版)
分子力学モデリング用ソフトの比較 (英語版)
生体システムのモデリング(英語版)
タンパク質フラグメントライブラリ(英語版)
格子タンパク質(英語版)
統計ポテンシャル(英語版)
タンパク質円二色性データバンク(英語版)
タンパク質構造予測のためのソフトウェアツールは数多く存在する。アプローチとしては、ホモロジーモデリング(英語版)、タンパク質スレッディング、ab initio法、二次構造予測、膜貫通ヘリックスおよびシグナルペプチド予測などがある。CASP実験に基づいて最近の成功した手法には、I-TASSER(英語版)、HHpred(英語版)、AlphaFoldなどがある。完全なリストはメイン記事(英語版)を参照のこと。