バイオナノシステムズ研究会

蛋白質の電子状態計算と医療・創薬・環境科学への応用
Electronic state calculations of proteins and their medicinal applications

田中 成典(神戸大学大学院システム情報学研究科計算科学専攻・教授)
Shigenori TANAKA, Professor
Kobe University, Graduate School of System Informatics, Department of Computational Science


 近年のコンピュータ技術と計算物理・化学的手法の進展により、蛋白質や核酸を初めとする生体高分子の相互作用エネルギーや安定構造、ダイナミクス、機能等を物理学の基礎方程式(シュレディンガー方程式、ニュートン方程式)に基づき原子レベルから第一原理的に解析することが可能となってきた。

例えば、最近我々のグループでは、地球シミュレータを用いて、3万6千個以上の原子からなるインフルエンザウイルス・ヘマグルチニン(HA)蛋白質抗原抗体複合系の電子状態を精確かつ高速に求めることに成功した。フラグメント分子軌道法と呼ばれる手法を用いることで、電子相関効果を取り入れた計算を数時間程度で実行することができ、巨大な蛋白質複合体を構成する数千個のアミノ酸残基間に働く相互作用を網羅的に求めることで、HA蛋白質内のアミノ酸のうち、どれが将来変異を起こしやすいかといった予測を行うことも可能である。また、こういった情報はウイルスの蛋白質の機能を阻害する医薬品の合理的設計にも役立つ。

このように、生体分子シミュレーション技術の目覚しい発展により、今や、医療や創薬、環境科学等における実用的な課題解決への計算科学の貢献が可能な時代となってきており、さらに、次世代スーパーコンピュータなどによる大規模計算を行うことで、生命機能自体のコンピュータによるボトムアップ再構成といった夢にも近づきつつある。

 一方、生体高分子に対する実験技術の進展も近年目覚ましいものがある。例えば、蛋白質の分子構造に関しても、結晶作製技術の進歩とSPring-8などの高輝度X線の利用により、1Åに迫る分解能の結晶構造データが得られ始めている。これらの精密な実験データは、理論モデリングのさらなる改良と精密化を促し、今後、実験と理論・シミュレーションはお互いに手を携えて、新たなパラダイムへと突入していくことが予想される。そこでは当然、生体分子機能に関わるダイナミクスの定量的な議論も、量子力学に立脚して行われることになる。このような「量子生物学」の展望についても触れたい。

(文献)田中成典:「量子生物学の展開」、パリティ 26, No. 7 (2011) pp. 12-18.



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