【研究領域課題番号】21H02056 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

正準分子軌道 / タンパク質 / 密度汎関数法 / タンパク質工学 / タンパク質性能改変

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2021-04-01 - 2024-03-31

【配分額】18,330千円 (直接経費: 14,100千円、間接経費: 4,230千円)

【研究分野】生命・健康・医療情報学

【研究領域課題番号】17K00395 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

タンパク質 / 電子状態 / 量子化学 / 電子状態計算 / 密度汎関数法 / 波動関数 / データベース / 生体生命情報学 / 蛋白質 / ハイパフォーマンス・コンピューティング / シミュレーション工学 / 物性理論

【研究成果の概要】

タンパク質電子状態計算において、電子状態計算の高速化・効率化および計算構造モデリングとQCLO法に基づく電子状態計算の自動化に関する研究開発を行った。GPUによって電子状態計算の高速化し、メモリマップドファイルによって限られた計算機資源でのタンパク質電子状態計算の達成を実現した。QCLO法に基づく自動計算プログラムの機能追加・改良を施し、入力コードの保守性・視認性を向上させた。電子状態計算に基づく相互作用解析ツールを開発し、小規模タンパク質の実証計算によりその有用性を確認した。
開発したソースコードはインターネット上に公開済みである。

【研究の社会的意義】

実験的に得られたタンパク質構造をもとに、タンパク質電子状態データベースの構築・拡張をおこなうため、タンパク質電子状態計算をより自動化し、省力化する研究開発を行った。タンパク質電子状態計算を高速化・効率化し、自動計算の簡略化・機能追加を行った。相互作用解析機能を追加し、基質やアミノ酸残基間の相互作用を可視化することができるようになった。
開発したソースコードはインターネット上に公開済みである。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】計算科学

【研究領域課題番号】15H02046 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ハイパフォーマンス・コンピューティング / タンパク質 / 物性理論 / 量子化学 / 密度汎関数法 / 分子動力学法 / 原子電荷 / 蛋白質 / 量子化学計算 / 大規模計算 / 量子分子動力学法

【研究成果の概要】

超並列計算環境に適したタンパク質の正準(標準)分子軌道計算・分子動力学シミュレーションに関する基盤技術の研究開発を行った。第３世代密度汎関数法に基づく正準分子軌道計算ソフトウェアProteinDFの改良と力計算機能の追加・並列化を行った。ProteinDFと分子動力学計算ソフトウェアGromacsとの連成システムを開発し、本システムが小規模タンパク質において動作することを確認した。また、分子動力学シミュレーションの有効性を高めるため、正準分子軌道計算に基づく新規原子電荷の開発を行った。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】38,740千円 (直接経費: 29,800千円、間接経費: 8,940千円)

【研究分野】生命・健康・医療情報学

【研究領域課題番号】25730174 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子化学 / タンパク質 / 電子状態計算 / 電子構造 / 密度汎関数法 / 電子状態

【研究成果の概要】

タンパク質の電子状態計算結果は、タンパク質の物性・反応性を理解する上で有益な情報を与える。タンパク質のような巨大分子の電子状態計算において、分子モデリング・電子状態計算ともに工程が複雑で達成が難しく、試行錯誤が必要であった。本研究では、分子モデリングに必要な処理を自動的に行うプログラムを作成し、また電子状態計算処理をほぼ自動的に効率良く行う計算方法を確立した。作成したプログラムはインターネット上に公開した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2013-04-01 - 2015-03-31

【配分額】3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)

【研究分野】物理化学

【研究領域課題番号】09640611 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

密度汎関数法 / タンパク質 / 全電子計算 / 大規模計算 / 収束法 / BDS-I / 並列化 / オブジェクト指向による並列化 / 非局所補正法 / タンパク質内電子トンネリング / シトクロムc / オブジェクト指向プログラミング / ROKS法 / シトクロムc_3 / 大次元行列対角化の並列化 / 大次元逆行列計算の並列化

【研究成果の概要】

本研究者らはタンパク質全体の電子状態を量子論的な方法に基づいて計算する手法を構築し、タンパク質の性質や反応を電子レベルで理解することを目的に、大型分子や金属錯体の電子状態計算に有効な密度汎関数法に基づく分子軌道法プログラムを作成・発展させた。計画最終年度では小タンパク質の全電子計算の実行と、タンパク質内電子トンネリング機構を解析するシステムの作成を達成した。本研究を通して得られた主な成果を以下に箇条書きにする。
1.独自に開発した密度汎関数法プログラムのほぼ全計算過程を並列化した。オブジェクト指向を用いることによって、各計算過程の汎用性を保ちつつ、高速化、省メモリ化、アーキテクチャに特化したチューニングを実現した。10台以上のワークステーションクラスタで、80%以上の並列化効率が得られた。
2.次元の大きさ、ペプチド結合に関する周期性などから軌道に線形従属性が顕著に現れる。これらは計算に悪影響を及ぼすため、この線形従属性を取り除く機能を追加した。
3.金属タンパク質の電子状態計算に必要な制限付き開殻軌道密度汎関数法(POKS)を新たに定式化し、これを本プログラムに取り込んだ。チトクロムc_3活性中心のイオン化状態計算に適用した。
4.経路積分を用いた電子トンネリング過程計算法を精密化した。計算精度を超多重積分数の1次依存から2次依存に上げることに成功した。
5.密度汎関数法の交換相関ポテンシャル非局所補正法(BLYP)を高速に計算するアルゴリズムを開発した。
6.Ruを導入したチトクロムcの系でモデルポテンシャルを使用してタンパク質内電子移動経路をシミュレートした結果、3本の電子移動経路が観測された。
7.穏やかに小タンパク質の全電子計算が収束する技術を開発した。
8.43残基のタンパク質BDS-Iの全電子計算に成功した。これは世界初の密度汎関数法によるタンパク質全電子計算である。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1997 - 1999

【配分額】3,200千円 (直接経費: 3,200千円)

【研究分野】物理化学

【研究領域課題番号】07640682 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

タンパク質 / 密度汎関数法 / オブジェクト指向プログラミング / チトクロムC_3 / オブジェクト指向による並列化 / AVS / JAVA / VRML / チトクロムc_3 / 確率オートマトン / GUI

【研究成果の概要】

本年度は電子受容色素を持つタンパク質の巨大で複雑な電子状態をいかに効率的に計算させるかを最大の焦点とした。平成8年度の成果は以下の通りである。
1.タンパク質の全電子波動関数を計算する独自の密度汎関数法プログラムのほぼ全計算過程を並列化した。本研究で開発した密度汎関数法プログラムはオブジェクト指向技術を取り入れている。並列化にもこの技術を導入することにより、計算シナリオ部・計算実行部・並列処理通信部・計算機種依存部を明示的に分離することに成功した。これにより様々な並列計算機環境に柔軟に対処しうるプログラムが提供できる。数台のワークステーションによるテストの結果、90%以上の並列化効率が得られた。この並列版プログラムを超並列コンピュータ上で実行することにより数百残基のタンパク質の全電子計算が可能となることが明らかとなった。
2.タンパク質の初期電子密度を合成するためのアミノ酸残基の電子密度データベースを整備した。同様にヘムの電子密度を計算し、データベース化した。
3.これらを高機能ワークステーション上で実行し、結果を可視化する統合環境を更新した。計算実行にあたり複雑な電子状態をマウス操作で指定するためのグラフィカル・ユーザ・インターフェースをネットワーク操作に有為なオブジェクト指向言語JAVAおよびVRML(Virtural Reality Modeling Language)を用いて作成した。また、タンパク質の大きさを考慮にいれて1,000倍程度の拡大縮小に耐えうるような高品位かつ高速な結果解析環境をグラフィックスツールAVS(Application Visualization System)を用いて作成した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1995 - 1996

【配分額】2,200千円 (直接経費: 2,200千円)