DiscoveryStudio 利用の手引
東京工業大学学術国際情報センター
2017.05
目次
Discovery Studio 利用の手引き 1 1. はじめに 1 1.1 利用できるバージョン 1 1.2 概要 1 1.3 マニュアル 2 2. TSUBAME での利用方法 2 2.1 Discovery Studio の起動 2 2.2 Server Gatewayの設定 3 2.3 ライセンス使用状況の確認 42.4 Discovery Studio Client のライセンス設定が正常にされているかどうかの判定について 4
3. Discovery Studio の GUI 構成 5
4. モデリング 10 4.1 モデルの一般的な構築 10 4.2 一次構造からペプチドの構築 16 4.3 PDBサイトの利用 20 5. 解析例 22 改版履歴 31
Discovery Studio 利用の手引き
1. はじめに
本書は，Discovery Studio を東京工業大学学術国際情報センターの TSUBAME で利用する方法について説明しています． また，TSUBAME を利用するにあたっては，「TSUBAME利用の手引き」もご覧下さい． 利用環境や注意事項などが詳細に記 述されております． アクセルリス株式会社ではDiscovery Studioに関するWebページを公開しています． 下記のアドレスを参照してください． http://accelrys.co.jp/
1.1 利用できるバージョン
TSUBAMEで利用可能なバージョンは次の通りです． アプリケーション名 バージョン Discovery Studio 2.5.5, 3.1, 3.5, 4.0 SP1, 4.5, 2017 R21.2 概要
タンパク質モデリング及び計算化学のためのモデリング・シミュレーション環境です． プロジェクト発案からLead最適化まで， 単一の使いやすいインターフェースから， 最高品質のソフトウェアへアクセスすることができます． Discovery Studioに含まれるモジュールは以下の通りです． DS Modeling Visualizer Pro• 3次元構造，ファイルの可視化，3次元構造においての原子・分子の編集が可能． • シーケンスウィンドウでマルチプルアライメントを表示． • シーケンスウィンドウと3次元構造ウィンドウが相互に反映． DS Biopolymer • ポリペプチドのシーケンスをウィザードから入力(選択)することで，ペプチド構築，編集が可能． • タンパク質やリガンドなどを同一ウィンドウ，あるいは別々のウィンドウで同時に表示可能． タンパク質等の構造エラーを 自動的に修正． DS CHARMm(分子力学・動力学計算モジュール) • 低分子から生体高分子に最適化された力場パラメータを備えており，豊富な実績を持つ， 高度に認められ広く使われ るシミュレーションパッケージ． DS Analysis • DS CHARMmモジュールを使用して，計算した結果の解析及びアニメーション化 DS MODELER • 自動的にタンパク質をホモロジーモデリング． • ウィザードの使用で簡単にループ修正． • シーケンスアライメント(2D，3D)が実行可能．
• 拘束定義(Cis-prolines，disulphide bonds)， アライメントの作成(シーケンスのidentity/similarity値を表示)． DS Protein Similarity Search
• タンパク質シーケンスのホモロジーを識別． • Web，ローカルのデータベースより検索（BLAST，gapped-BLAST，PSI-BLAST）， ソートテーブル，ヒットテーブル，アラ インシーケンスを自動的に作成． DS CFF • 生体高分子及び低分子のためのCHARMmの力場オプション Discovery Studio 利用の手引き 1
DS Delphi • Poisson-Boltzman関数を使用した静電荷及び溶媒和計算． • 3次元静電荷エネルギー表示(グリッド，体積，固体)， Delphiでの静電荷ポテンシャルに基づいて色で表示． DS Protein Families • 進化系統樹を用いてタンパク質の機能に重要な残基を解析． • マルチプルシーケンスアライメント． • Aline123法(ClustalWを改良)． • Pre-alignedプロファイルの選択可． • structure-baseシーケンスアライメント • シーケンスの進化関係，conservationパターンを元にファミリータンパク質を解析． 側鎖距離と露出残基によって残基 をクラスター化． DS Protein Health • Profiles-3Dを使用して，タンパク質構造を評価． • タンパク質全体，あるいは残基単位での計算が可能． • タンパク質構造のクオリティを，色と太さでリボン表示． DS LigandFit • タンパク－リガンドの親和性評価を高速/高精度に実行． • Cavity検索による活性部位探索． • 高速モンテカルロによるコンフォメーション空間の検索． • エネルギーグリッド計算を用いたドッキング配置/配座の高速な評価． DS LigScore • 独自スコアリング関数LigScore2を含む各種スコアリング関数で タンパク－リガンドの結合親和性をスコア評価． DS Ludi • タンパク構造既知，ターゲットリガンド構造未知の場合のリガンドのde novoデザイン． タンパク質の結合部位に立体的 化学的に適合． • リガンド－タンパク質複合体のスコアリング． • 結合親和性を増加させるような既知リガンド改変の示唆．
1.3 マニュアル
Windows 版 Discovery Studio にヘルプがございます．
Discovery Studio 起動後にメニューバーから「Help」を選択してください．
2. TSUBAME での利用方法
2.1 Discovery Studio の起動
Discovery Studioを起動するには，「スタート」→「すべてのプログラム」→ 「Accelrys」→「Discovery Studio (バージョン名) Client」をクリックします．
バージョン 4.0 SP1 の，起動画面は次の通りです． 1.3 マニュアル
終了する場合は，[File]-[Exit]を選択してください．
2.2 Server Gatewayの設定
計算を行うためには，計算を実行するサーバの設定が必要になります． 設定は，ツールバーから「File」→「Change Server」 を選択し，次のダイアログ上で行います． ○TSUBAME上の専用計算サーバで計算を行う場合 TSUBAME上の専用計算サーバ（CPU: 24core，メモリ: 24GB）を計算実行サーバとして指定できます． ただし，このサー バは他のユーザがジョブ実行中でリソースの一部を消費していたり， メンテナンス中で停止している場合もあるため，予め ご了承ください． 設定内容はバージョンごとに異なります． Server name欄に，次の表から対応する内容を入力し，設定してください． アプリケーションバージョン Server Name Discovery Studio 2.5.5 172.17.230.55:9943 Discovery Studio 3.1 172.17.230.55:3143 Discovery Studio 3.5 172.17.230.55:3543 Discovery Studio 4.0 SP1 172.17.230.55:4043 Discovery Studio 4.5 172.17.230.55:4543 Discovery Studio 2017 R2 専用サーバでの提供はありません。 ○PC上で計算を行う場合（Ver 4.0 SP1 の場合） 2.2 Server Gatewayの設定 3Server name欄に「localhost:4043」を入力し，OKボタンを押します． Discovery Studio Server インストール手順にお いてHTTPS PORTに4043以外の数値を設定している場合は， 4043の部分を差し替えてください．
設定後，次の画像のように，画面右下に設定した内容が表示されていると，正しく設定されています．
2.3 ライセンス使用状況の確認
TSUBAME 全体で同時利用できるtoken数には上限があります． (Materials Studio, Discovery Studio 共用で 40token まで．12月～2月は80tokenまで) TSUBAME にログインした状態で，次のコマンドにより，ライセンス利用状況を確認できま す．
$ lmutil lmstat -S msi -c 27060@t2zlic01
備考
• 学内端末の場合はさらに以下の制限があります． • 学内全体で 20 token まで
• 学内全体の CASTEP は 4 token まで [参考]
・配布中のBiovia製品(Materials Studio/Discovery Studio)のライセンス制限について - http://tsubame.gsic.titech. ac.jp/node/1493
・BIOVIA製品(Materials Studio/Discovery Studio)のライセンス制限について(追加) - http://tsubame.gsic.titech.a c.jp/node/1510
2.4 Discovery Studio Client のライセンス設定が正常にされているかどうかの判定につ
いて
Accelrys 製品のライセンス設定時に，環境によってはStatus 欄が「Cannot connect」になる場合があります． 2.3 ライセンス使用状況の確認
そのため，ライセンス設定が正常にされているかどうかの確認時は「Cannot connect」の表示は無視し， Discovery Studio Client の起動可否で判定するようにしてください．
3. Discovery Studio の GUI 構成
Discovery Studio のGUI構成について説明します． (1)基本的な構成
Discovery StudioのGUI構成は下図の通りです．
(2)基本設定の確認・変更
GUIの基本設定の確認・変更を行うには，「Edit」→「Preferences」を選択します． 3. Discovery Studio の GUI 構成
Preferencesウィンドウが立ち上がります． 「Molecule Window」→「Graphics」を選択します．ここでは，分子の表示形式や 背景色の設定を行います． 設定を反映させる場合は，「Apply」ボタンをクリックします．
Protocolsを選択します．ここでは，Protocol実行のための設定を行います． 例えば，Use default path to save a jobのチェッ クボックスを外すと， Protocol実行時にジョブフォルダ名や保存場所を変更できます．チェックボックスを外さない場合， デフォ ルトのフォルダに計算結果が自動的に保存されます．設定を反映させる場合は， 「Apply」ボタンをクリックします．
3. Discovery Studio の GUI 構成
(3)アイコンの設定・確認
ツールバーアイコンの設定・確認を行います． 「View」→「Toolbars」を選択すると，さらにメニューが表示されます． 表示され たメニューの中でチェックが入っているものが現在ツールバーアイコンとして表示されているものです． 表示・非表示はそれぞ れのメニューをクリックすることで行えます．
(4)Files Explorerタブの設定・確認
Files Explorerタブの設定・確認を行います．Files Explorerでは， Windowsのエクスプローラと同様なことを行えます． 例えば，My Documentsフォルダに新規フォルダ「Sample」を作成する場合， Files ExplorerのMy Documentsを選択して， 右クリックします． 表示されるメニューのNew Folderを選択します．
3. Discovery Studio の GUI 構成
New Folderウィンドウが立ち上がります．Nameに「Sample」と入力し，「OK」ボタンをクリックします．
My Documentsフォルダを展開し，Sampleフォルダを選択し，右クリックします． 表示されるメニューのSet as Defaultを選択 します． これで，Discovery Studioで実行した結果の保存先がフォルダSampleになります．
デフォルトフォルダに設定されるとフォルダアイコンの背景色が青になります．
4. モデリング
この章では，モデルの構築方法について，説明します．
4.1 モデルの一般的な構築
メニューバーの「File」→「New」→「Molecule Window」を選択し，新規に3D Windowを開きます．
ToolbarsにSketchingバーが表示されていない場合は，「View」→「Toolbars」→「Sketching」「Chemistry」を選択し， Ch emistryバーを表示させます．
モデルの構築において，主に次のツールバーを使用します． Sketch: 原子を一つ一つ組み上げて分子を構築します． Chain: 鎖状構造を持つ分子の構築に利用します． Ring: 環状構造をもつ分子の構築に利用します． Add Hydrogens: 水素原子を付加します．
Single Bond，Double Bond，Aromatic Bond，Triple Bond: 結合方法を指定します． Clean Geometry: 構造をある程度整った形に整形します． ベンゼンの構築 例として，ベンゼンの構築，ベンゼンから他分子への修正について，説明します． 新規3D Windowを開きます．Ringバーをクリックします． 4. モデリング 11
3D Window内でクリックします．自動的に次のような炭素原子の構造が作成されます．
構築されたモデルにおいて，炭素原子間の結合状態は単結合です． これらを芳香環に変更する必要があります． Select Toolを利用して全ての炭素原子を選択します． Aromatic Bondボタンをクリックします．
これら炭素原子から構成される構造が芳香環に変更されました．
次に水素原子を付加します．Add Hydrogensボタンをクリックします． 4. モデリング
以下のように水素原子がそれぞれ炭素原子に付加されます．
以上で，ベンゼンの構築は終了です． ベンゼンから他分子への変更 4. モデリング
上述の「ベンゼンの構築」の通り作成したベンゼンをベースに， 他の分子への変更方法について，説明します． 今回はベンゼ ン(C6H6)からフェノール(C6H5OH)に変更します． １つの水素原子を選択します． 選択した水素原子の上で右クリックします．表示されるメニューから「Element」→「O」を選択します． 選択した水素原子が酸素原子に置き換わります． 4. モデリング 15
水素原子を付加します．Add Hydrogensボタンをクリックします．置換した酸素原子に水素原子が付加されます．
これでフェノールが完成です． 4.2 一次構造からペプチドの構築
メニューバーの「File」→「New」→「3D Window」を選択し，新規に3D Windowを開きます．
特定のペプチドシークエンスを作成します． Tools ExplorerのBuild and Edit Proteinをクリックします．
Build and Edit ProteinパネルがTools Explorerに展開されます．
このパネルにて，Build Actionの下矢印をクリックし， 表示されるメニューから「Create/Grow Chain」を選択します．
どのようなコンフォーメーションを作るか指定します． Choose Conformationの下矢印をクリックし，表示されるメニューから「 Extend」を選択します．
次にペプチドのシークエンスを入力します． 入力には，２種類の方法があります． • Choose Amino Acidリストから選択する
• 直接ペプチドシークエンスを入力する
まず，Choose Amino Acidリストから選択する方法でシークエンスを入力します． Choose Amino Acidツールグループにて，リストアップされている残基を選択します．
Choose Amino Acidリストの中からアスパラギン(Asn)を選択します．アスパラギン残基が3D Windowに表示されます． 4.2 一次構造からペプチドの構築
さらに，順にロイシン(Leu)，チロシン(Tyr)，イソロイシン(Ile)，グルタミン(Gln)を選択します． 下図のようにモデルが3D Windo wに表示されます．
続いて，直接ペプチドシークエンスを入力する方法で，シークエンスを入力します． 4.2 一次構造からペプチドの構築
C末端のグルタミンがハイライトされていることを確認して下さい． ハイライトされていない場合は，ダブルクリックして選択して 下さい． Choose Amino Acidリストから，「Specify」を選択します． Enter an Amino Acid Sequenceウィンドウが立ち上が ります．
シークエンスパラメータボックスに「WLKDGG」を入力し，「OK」ボタンをクリックします． 以下のように3D Windowに6残基が追加されます．
4.2 一次構造からペプチドの構築
続いて，同様に9残基「PSSGRPPPS」を追加します．以下のように表示されます．
4.3 PDBサイトの利用
Discovery Studioを起動するPCがインターネットに接続できる場合， PDBサイトから構造を読み込むことができます． まず， Discovery Studioのインターネット接続設定を行います． 「Edit」→「Preferences」を選択します．
Prefrencesウィンドウが立ち上がります． 左フレームの「Files Explorer」→「Internet Proxy」を選択します． Proxy Settings において，「Manual Proxy Configuration」を選択し， 「Use same proxy for all protocols」にチェックを入れます． 「HTTP Proxy」，「Port」にはそれぞれプロキシサーバの IPアドレス，ポート番号を入力します．
次に，実際にPDBサイトに接続し，データを入手します． 「File」→「Open URL」を選択します． Open URLウィンドウが立ち上がります． 今回はこのまま「Open」ボタンをクリックします． デフォルトの設定で，PDB IDは「1crn」となっています． 以下のようにデータが表示されます． 4.3 PDBサイトの利用 21
以上で，モデリングに関する説明は終わりです．
5. 解析例
この章では，解析例として，エネルギー極小化の計算方法を取り上げます. この節では，「4.2 一次構造からペプチドの構築」で構築したペプチドを基に説明をします. 「4.2 一次構造からペプチドの構 築」を参考に，ペプチドを構築して下さい. 二次構造の特定 実験からこのペプチドは下記の二次構造を持っています. ・ 2～ 8残基 α-helix ・11～14残基 310-helix ・15～20残基 polyproline Ⅱ helix 3D Windowをアクティブにします.いずれかの原子・分子が選択されている場合は， バックグランドをクリックして，選択されて いる状態をオフにします. まず，ペプチドの個々の残基に，アミノ酸タイプ及びシークエンスの番号付けによって， ラベルを付加します.「Structure」→「L abels」→「Add」をクリックします. Labelウィンドウが立ち上がります.Objectにおいて「AminoAcid」，Attributeにおいて「1-Latter & ID#」を選択します. 5. 解析例
選択，設定が終わりましたら，「OK」ボタンをクリックします. 下図のようにラベルが付加されます. シークエンスウィンドウを表示させます.「Sequence」→「Show Sequence」を選択します. Sequence Windowが表示されます. 5. 解析例 23
3D Windowにおいて，2番目の残基「L2」をダブルクリックして，選択してください. Sequence Windowにおいて，自動的に2 番目の残基が選択されます.
2～8番目の残基の二次構造を指定するために，それら残基を選択します. Sequence Windowにおいて，左から２番目の「L」 5. 解析例
残基が選択されている状態を保ちつつ，3D Windowをアクティブにします. Tools Explorerにおいて，Build and Edit Protei nを開きます.
Choose Confirmationの下矢印をクリックし，表示されるメニューを「Extended」から 「Right-hand Alpha Helix」に変更し ます.
Apply Confirmationをクリックします. 5. 解析例
選択した2～8番目の残基のコンフォーメーションが「extended」から 「α-helix」に変更されました.
続いて，11～14番目の残基の二次構造を指定するために，それら残基を選択します. Sequence Windowにおいて，左から1 1番目の「G」を，Shiftキーを押しながらクリックし， 左から14番目の「S」までドラッグします.3D Windowにおいて，自動的に 対応する残基が選択されます.
残基が選択されている状態を保ちつつ，3D Windowをアクティブにします. すでに開かれているTools ExplorerのBuild and Edit Proteinにおいて， 「Right-hand Alpha Helix」を「3-10 Helix」に変更します.
Apply Confirmationをクリックします. 選択した11～14番目の残基のコンフォーメーションが「310 helix」に変更されました. 最後に，15～20番目の残基の二次構造を指定するために，それら残基を選択します. これらの残基はpolyproline Ⅱ helix に存在します.この特殊な二次構造はリストに表示されていません. phi角，psi角をそれぞれ，-75度，145度に設定すると必要 なコンフォーメーションにすることができます. Sequence Windowにおいて，左から15番目の「G」を，Shiftキーを押しながらクリックし， 左から20番目の「S」までドラッグ します.3D Windowにおいて，自動的に対応する残基が選択されます.
残基が選択されている状態を保ちつつ，3D Windowをアクティブにします. すでに開かれているTools ExplorerのBuild and Edit Proteinにおいて， 「3-10 Helix」を「Specify…」に変更します.
Peptide Backbone Conformation Angleウィンドウが表示されます. Phi Angleを -75 に，Psi Angleを 145 に設定します.
Apply Confirmationをクリックします. 5. 解析例
選択を解除し，「Fit to Screen」ボタンをクリックし， 全体構造を中心に配置します.
力場，原子タイプ及び電荷の設定
側鎖とペプチド末端の電荷を設定する前に， まず，力場の設定をする必要があります.今回は「Charmm27」を使用します. SIMULATION を選択し，Tools Explorer の Change Forcefiled を開きます.
5. 解析例
Forcefieldにおいて，charmm27を選択します. Apply Forcefiledをクリックし，力場を設定します.
Focefield Status に Molecule typed with charmm27 と表紙され， Forcefieldが正しく設定されたことを確認します.
「Edit」→「Preferences」を選択します.
Preferencesウィンドウが立ち上がります.左フレーム内の「Forcefiled」を選択します. 「Adjust hydrogens to comply with the forcefield」にチェックが入っていることを確認します．
エネルギー極小化計算の実行
SIMULATION を選択し，Tools Explorer の Run Simulations を開きます.
エネルギー極小化計算のためのMinimizationプロトコルをダブルクリックします. 計算で使用される様々なパラメータを設定 します.
5. 解析例
Parameter Explorerにおいて，１行目のParameter Valueのセルをクリックします. 自動的に「File名:Molecule」と記入され ます.
計算を実行するため，Runボタンをクリックし計算を始めます. 5. 解析例
計算結果の確認 計算を実行している間，結果は，指定したフォルダにフォルダを作成し， その中に自動的に保存されます.デフォルトでは，My Documentになります. このフォルダは，プロトコル名_年月日_時間という名前で作成されます. フォルダのOutputフォルダに計算結果ファイルが作成されます. 出力結果は，使用したプロトコルにより変わります. 今回は，以下に示したファイルが作成されます. ファイル名 内容 charmm.log CHARMmプロトコルを用いたときに作成されるファイルで す.計算内容が記述されています. Molecule.mol2 エネルギー最小化の計算結果がMOL2形式で出力された ファイルです. Output.log 計算サーバからのコマンドとその返答の内容を保存したファ イルです. もし，計算が失敗になった場合，本ファイルを参 照し，問題点を見出してください. Report.htm 計算結果を簡単に纏めたHTML形式のファイルです.
改版履歴
版数 日付 項目 内容 version 1.0 2010年 11月 1日 -- 初版作成 version 1.1 2011年 9月 1日 2.2 追加: バージョン 3.1 の情 報を追加 version 1.2 2012年 9月 10日 2.2 追加: バージョン 3.5 の情 報を追加 改版履歴 31version 1.2 2013年 6月 6日 2.4 追加: ライセンス設定が正 常にされているかどうかの 判定方法を追加 version 1.3 2014年 4月 17日 2.2 追加: バージョン 4.0 SP1 の情報を追加 version 1.4 2014年 5月 13日 2.2 追加: PCによる計算の設定 方法を追加 version 1.5 2015年 7月 16日 2.2 追加: バージョン 4.5 の情 報を追加 version 1.6 2017年 5月 11日 2.2 追加: バージョン 2017 R2 の情報を追加 改版履歴
