研究系及び研究施設の現状 83
岡 本 祐 幸（助教授）
A -1)専門領域：生物化学物理、計算科学
A -2)研究課題
a) 蛋白質分子の第一原理からの立体構造予測問題および折り畳み問題 b)生体分子以外の系への拡張アンサンブル法の適用
A -3)研究活動の概略と主な成果
a) 蛋白質は自然界に存在する最も複雑な分子である。よって，その立体構造を予測することは（その生化学的機能との 関係上，極めて重要であるにもかかわらず）至難の業である。特に，理論的に第一原理から（自由エネルギーを最小化 することにより）立体構造を予測することは不可能と広く信じられている。それは，溶媒の効果を取り入れるのが困 難であるばかりでなく，系にエネルギー関数の極小状態が無数に存在するために，シミュレーションがそれらに留 まってしまって，世界最速のスーパーコンピューターをもってしても，最小エネルギー状態に到達するのが絶望的 であるからである。我々はシミュレーションがエネルギー極小状態に留まらない強力な計算手法を，蛋白質の立体 構造予測問題に適用することを提唱してきた。具体的には，徐冷法（ si mul ated anneal i ng ）及び拡張アンサンブル法
（generalized-ensemble algorithm）を導入し，これらの手法が小ペプチド系において従来の方法よりはるかに有効であ ることを示してきた。拡張アンサンブル法では，非ボルツマン的な重み因子に基づいて，ポテンシャルエネルギー空 間上の酔歩を実現することによって，エネルギー極小状態に留まるのを避ける。この手法の最大の特徴は唯一回の シミュレーションの結果から，最小エネルギー状態ばかりでなく，物理量の任意の温度におけるアンサンブル平均 を 求 め る こ と が で き る こ とで あ る 。拡張 ア ン サ ンブ ル 法 の 代表 的 な 例 がマ ル チ カ ノニ カ ル 法（ mul ti c anoni c al algorithm）と焼き戻し法（simulated tempering）であるが，これらの二手法ではその重み因子を決定することが自明で はない。この問題を克服するため，我々は新たにT sallis統計に基づく拡張アンサンブル法やレプリカ交換法（replica- exchange method）の分子動力学法版を開発したりしてきた。特に，レプリカ交換分子動力学法はその適用が簡便であ るために，我々の発表とともにすぐに受け入れられ，現在では国内外のタンパク質の折りたたみシミュレーション における有力グループが相次いで採用している。更には，正確な溶媒の効果をエネルギー関数に取り入れていくこ とも大切であるが，距離に依存した誘電率で表すもの（レベル１）や溶質の溶媒への露出表面積に比例する項（レベ ル２）を試すとともに，厳密な溶媒効果(レベル３）として，R IS M や S PT などの液体の統計力学に基づくものや水分 子をあらわにシミュレーションに取り入れること等を検討してきた。
本年度は，２０００年に我々が開発したレプリカ交換マルチカノニカル法（R E MUC A ）とマルチカノニカルレプリカ交 換法（ MUC A R E M ）の有効性を，小ペプチド系のモンテカルロシミュレーションで確固としたものであることを示 した。そして，この２手法がタンパク質の折り畳みシミュレーションに特に適していることを示した（Mitsutake, Sugita and Okamoto, J. Chem. Phys. (2003)）。これらの新しい拡張アンサンブル法をレベル３の厳密な溶媒効果を取
り入れた（T IP3Pの水分子をあらわに取り入れた）アミノ酸数が十数個の小ペプチド系に適用することによって，広 く使われているA MB E R ，C HA R MM，OPL S，GR OMOSなどの標準的なエネルギー関数（力場）が蛋白質の立体構造予 測が可能な程の精度を持つか否かを調べてきたが，この判定に今年度やっと一つの区切りをつけることができた
（Yoda, Sugita and Okamoto, Chem. Phys. Lett. (2004)）。この判定には，エネルギー極小状態に留まらず，広く構造空間
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をサンプルすることができる，拡張アンサンブル法の使用が必須であり，我々の新手法の開発によって，初めて現実 的な問題になったと言える。我々の結論は既存のどの力場も完璧なものはないというものであった。そこで，我々は 独自の力場パラメターの提案を我が国から初めておこなった（Sakae and Okamoto, Chem. Phys. Lett. (2003)）。我々 は更にタンパク質の折り畳みの遷移状態を詳しく調べることができる新しい拡張アンサンブル法を開発した（Berg, Noguchi and Okamoto, Phys. Rev. E (2003)）。拡張アンサンブル法では，平均値は求められるが，分子動力学の情報は
失われる。よって，我々は，モードカプリング理論と拡張アンサンブル法を組み合わせた，新しい分子動力学の研究 手法も提案した（La Penna, Mitsutake, Masuya and Okamoto, Chem. Phys. Lett. (2003)）。また，我々は独自に開発した拡 張アンサンブル法である，レプリカ交換アンブレラサンプリング法を D NA の塩基スタッキングの自由エネルギー 計算に適用し，実験と一致する結果を得た（Murata, Sugita and Okamoto, Chem. Phys. Lett. (2004)）。最後に，拡張アン サンブル法による膜タンパク質の立体構造予測法の提案も行った（Kokubo and Okamoto, Chem. Phys. Lett. (2004)）。 b) 生体分子の系以外にもエネルギー極小状態が多数存在する複雑系では，拡張アンサンブル法の適用が有効である。 本年度は，これまで我々が扱ってきた拡張アンサンブル法がカノニカルアンサンブル（定積定温アンサンブル）を元 にした手法であるのに対し，マルチカノニカル法を定圧定温アンサンブルに拡張し，唯一回のシミュレーションの 結果から，任意の圧力及び温度における定圧定温アンサンブル平均が得られる，新しい拡張アンサンブル法（マルチ バーリック・マルチサーマル法）を開発した（Okumura and Okamoto, Chem. Phys. Lett. (2004)）。この手法はタンパク 質の高圧変性の研究に応用できる。
B -1) 学術論文
A. MITSUTAKE, Y. SUGITA and Y. OKAMOTO, “Replica-Exchange Multicanonical and Multicanonical Replica-Exchange
Monte Carlo Simulations of Peptides. I. Formulation and Benchmark Test,” J. Chem. Phys. 118, 6664–6675 (2003). A. MITSUTAKE, Y. SUGITA and Y. OKAMOTO, “Replica-Exchange Multicanonical and Multicanonical Replica-Exchange
Monte Carlo Simulations of Peptides. II. Application to a More Complex System,” J. Chem. Phys. 118, 6676–6688 (2003). G. LA PENNA, A. MITSUTAKE, M. MASUYA and Y. OKAMOTO, “Molecular Dynamics of C-Peptide of Ribonuclease
A Studied by Replica-Exchange Monte Carlo Method and Diffusion Theory,” Chem. Phys. Lett. 380, 609–619 (2003). B. A. BERG, H. NOGUCHI and Y. OKAMOTO, “Multi-Overlap Simulations for Transitions between Reference
Configurations,” Phys. Rev. E 68, 036126 (11 pages) (2003).
Y. SAKAE and Y. OKAMOTO, “Optimization of Protein Force-Field Parameters with the Protein Data Bank,” Chem. Phys. Lett. 382, 626–636 (2003).
B -2) 国際会議のプロシーディングス
Y. OKAMOTO, “Metropolis algorithms in generalized ensemble,” in The Monte Carlo Method in the Physical Sciences:
Celebrating the 50th Anniversary of the Metropolis Algorithm, J. E. Gubernatis, Ed., American Institute of Physics, Melville, pp. 248–260 (2003).
T. HIROYASU, M. MIKI, S. OGURA, K. AOI, T. YOSHIDA and Y. OKAMOTO, “Atom-level simulations of protein folding,” Proceedings of the 7th World Multiconference on Systemics, Cybernetics and Informatics (SCI2003), XIV, 117–122 (2003).
研究系及び研究施設の現状 85 B -3) 総説、著書
岡本祐幸 , 「第一原理からのタンパク質立体構造予測の発展」, 特集「物理科学この１年」内 , パリティ 18, 54–56 (2003). 岡本祐幸, 「蛋白質折り畳みの計算機シミュレーション」, 特集「数学者のための分子生物学入門―新しい数学を造ろう」 内 , 物性研究 81, 93–119 (2003).
奥村久士、米沢富美子, 「液体水銀の金属−非金属転移領域における体積粘性率異常の理論」, 固体物理 38, 57–64 (2003).
B -4) 招待講演
岡本祐幸, 「タンパク質折りたたみの計算機シミュレーション」, 数学者のための分子生物学入門セミナー, 京阪奈, 2003年 1月 .
岡本祐幸, 「拡張アンサンブル法による蛋白質の立体構造予測」, 日本原子力研究所生体分子シミュレーションワークショッ プ , 京都 , 2003年 1 月 .
岡本祐幸 , 「タンパク質フォールディングの計算物理学：１次構造から３次構造へ」, 日本物理学会領域 12シンポジウム「生 物と物理学の架け橋―田中豊一が見たもの―」, 仙台 , 2003 年 3 月 .
奥村久士 , 「２体分布関数と粒子間ポテンシャル用いて書き表した体積粘性率の新しい表式」, 名工大物理工学セミナー, 名古屋 , 2003 年 4 月 .
Y. OKAMOTO, “Free energy landscape of protein folding studied by generalized-ensemble algorithms,” CECAM Workshop: Metastability and Landscapes in Complex Systems, Lyon (France), May 2003.
岡本祐幸 , 「拡張アンサンブルシミュレーションによる膜タンパク質の立体構造予測」, 分子研研究会「ロドプシンの分子科 学」, 岡崎 , 2003 年 5 月 .
Y. OKAMOTO, “Metropolis algorithms in generalized ensemble,” The Monte Carlo Method in the Physical Sciences:
Celebrating the 50th Anniversary of the Metropolis Algorithm, Los Alamos, New Mexico (U. S. A. ), June 2003.
Y. OKAMOTO, “Protein folding dynamics studied by generalized-ensemble simulations,” Telluride Workshop: Protein
Dynamics, Telluride, Colorado (U. S. A. ), July 2003.
Y. OKAMOTO, “Atom-level simulations of protein folding,” The 7th World Multiconference on Systemics, Cybernetics and
Informatics (SCI2003) “Atom-Level Informatics, Simulations and Experiments in Materials Designing,” Orlando, Florida (U. S. A. ), July 2003.
奥村久士, 「体積粘性率の新しい表式 液体水銀の金属−非金属転移領域における異常の解釈」, 第１５回液体の化学夏 の学校 , 京都 , 2003年 8月 .
岡本祐幸, 「拡張アンサンブル法によるタンパク質の立体構造予測」, 電子情報技術産業協会バイオインフォマティックス専 門委員会 , 東京 , 2003年 9 月 .
岡本祐幸 , 「タンパク質折り畳みの統計力学」, 第８回久保記念シンポジウム, 東京 , 2003年 9 月 .
奥村久士, 「新しい拡張アンサンブルシミュレーション―マルチバーリックマルチサーマルモンテカルロ法―」, 東大工 学部 宮下・伊藤・藤堂研合同セミナー, 東京 , 2003年 10月 .
岡本祐幸 , 「タンパク質折り畳みの計算機シミュレーション」, 第７回シミュレーション・サイエンス・シンポジウム, 土岐 , 2003 年 10 月 .
岡本祐幸 , 「分子シミュレーションによる生体系の理論的研究」, 電力中央研究所セミナー , 我孫子 , 2003年 10月 .
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岡本祐幸, 「拡張アンサンブル法によるタンパク質の折り畳みシミュレーション」, 早稲田大学理工学部セミナー, 東京, 2003 年 10月 .
B -7) 学会および社会的活動 学会誌編集委員
生物物理 会誌編集委員会委員 (2001-2002). 物性研究 各地編集委員 (2002- ).
Journal of Molecular Graphics and Modelling, International Editorial Board (1998-2000). Molecular Simulation, Editorial Board (1999- ).
科学研究費の研究代表者、班長等
日本学術振興会未来開拓学術研究推進事業「第一原理からのタンパク質の立体構造予測シミュレーション法の開発」, プロジェクトリーダー (1998-2003).
高校生対象の講演
「生体分子の計算機シミュレーション」, 愛知県立一宮高校スーパーサイエンスプログラム, 岡崎 , 2003年 11月 .
B -8) 他大学での講義、客員
SOKENDAI Lectures, “Protein folding simulations by generalized-ensemble algorithms,” Singapore National University, Singapore, January 11, 2003.
C ) 研究活動の課題と展望
我々が開発した新しい拡張アンサンブル法（特に，レプリカ交換マルチカノニカル法とマルチカノニカルレプリカ交換法）が 特に有効であることを示すことができた。そして，これらを駆使して，A MB E R やC HA R MMなどの生体高分子系における標 準的なエネルギー関数（力場）の是否の判定をすることができた。また，我々は，より精度の高いエネルギー関数を独自に開 発することにも成功したが，この研究は更に進める必要がある。特にベストと思われるものができ次第，ホームページで公開 し，世界の研究者に使ってもらう予定である。また，これまで水溶性タンパク質の立体構造予測に重点を置いてきたが，本年 度，膜タンパク質の立体構造予測に拡張アンサンブル法の適用が有効なことを示すことができた。特に，２００３年４月にヒトゲ ノム計画による塩基配列解読完了宣言がなされたが，これらのゲノム計画によって分かったことは，いろいろな生物体にお いて，遺伝子の約４分の１が膜タンパク質であるということである。現在，実験で決定されたタンパク質の立体構造が２万個以 上Protein D ata B ank（PD B ）に登録されているが，そのうち，膜タンパク質の立体構造は数十個に過ぎない。膜タンパク質は 結晶化が難しく実験によって，立体構造を決めるのが極めて困難であるからである。よって，拡張アンサンブルシミュレーショ ンによる膜タンパク質の立体構造予測はこれから重要性を増して行くであろう。
