分子動力学法

索引トップ用語の索引ランキングカテゴリー

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/05/10 14:33 UTC 版)

操舵分子動力学 (SMD)

操舵分子動力学（Steered molecular dynamics; SMD）シミュレーションでは、望む自由度に沿ってタンパク質の構造を引っ張ることによってその構造を操作するためにタンパク質に力を印加する。これらの実験は原子レベルでのタンパク質における構造変化を明らかにするために用いることができる。SMDは機械的な折り畳み構造のほどけや伸長といった出来事をシミュレーションするためにしばしば用いられている^[28]。

SMDには2種類の典型的手順がある。1つは引っ張る速度が一定に保たれるもので、もう1つは印加される力が一定のものである。典型的には、調べる系の部分（例えばタンパク質中の1原子）を調和ポテンシャルによって拘束する。次に特定の原子に一定の速度あるいは一定の力を印加する。シミュレーション中で操作される力、距離、角度を変化させることによって望む反応座標に沿って系を動かすために傘サンプリングが用いられる。傘サンプリングによって、系の配置の全て（高エネルギーと低エネルギーのどちらも）が十分にサンプリングされる。次に、それぞれの配置の自由エネルギー変化を平均力ポテンシャル（PMF）として計算することができる^[29]。PMFを計算する人気のある手法は一連の傘サンプリングシミュレーションを解析する重みつきヒストグラム解析法（weighted histogram analysis method; WHAM）である^[30]^[31]。

応用例

ナノポア（外径 6.7 nm）中の3分子から構成される人工分子モーターの分子動力学シミュレーション（250 K）。

分子動力学は多くの科学分野で使われている。

単純化された生物学的折り畳み過程の最初のMDシミュレーションは1975年に発表された。Nature誌で発表されたそのシミュレーションは現代のタンパク質折り畳み計算の広大な領域への道を開いた^[32]。
生物学的過程の最初のMDシミュレーションは1976年に発表された。Nature誌で発表されたそのシミュレーションはタンパク質の運動が単なる飾りではなく機能に必須であることの理解への道を開いた^[33]。
MDはheat spike regimeにおける衝突カスケード、すなわちエネルギー中性子とイオン放射が固体および固体表面上で持つ効果を取り扱うための標準的手法である^[34]^[35]。
MDシミュレーションはゴーシェ病の原因である最も一般的なタンパク質変異N370Sの分子基盤を予測することにうまく応用された^[36]。後続の論文では、これらの目隠し予測が同じ変異についての実験結果と驚く程に高い相関を見せることが示された^[37]。
MDシミュレーションは金属表面上の水薄膜の分離圧に対する表面電荷の影響について調べるために用いられている^[38]。
MDシミュレーションは透過型電子顕微鏡の画像特徴を理解するためにマルチスライス画像シミュレーションと共に用いられる^[39]。

以下の生物物理学的例は非常に大きな系（完全なウイルス）あるいは非常に長いシミュレーション時間（1.112ミリ秒まで）のシミュレーションを行うための注目に値する成果を示している。

完全なサテライトタバコモザイクウイルス（STMV）のMDシミュレーション（2006年、規模: 100万原子、シミュレーション時間: 50ナノ秒、プログラム: NAMD）。このウイルスは小さい20面体植物ウイルスであり、タバコモザイクウイルス (TMV) による感染の症状を悪化させる。分子動力学シミュレーションは、ウイルス集合の機構を詳細に調べるために用いられた。全STMV粒子はウイルスカプシド（被覆）を作り上げる単一タンパク質の同一の複製物60個と1063ヌクレオチドの一本鎖RNAゲノムから構成される。1つの重要な発見は、RNAが内部にない時はカプシドが非常に不安定であるということである。このシミュレーションは2006年のデスクトップコンピュータ1台では完了するのに約35年を要する。したがって、シミュレーションは並列に接続した多数のプロセッサによって行われた^[40]。
ビリンタンパク質の頭部断片の全原子力場による折り畳みシミュレーション（2006年、規模: 2万原子、シミュレーション時間: 500マイクロ秒、プログラム: Folding@home）。このシミュレーションは参加した世界中のパーソナルコンピュータの20万CPU上で実行された。これらのコンピュータにはFolding@homeプログラムがインストールされていた。ビリン頭部タンパク質の動力学的特性は、連続したリアルタイムコミュニケーションを行わないCPUによる多くの独立した短時間のシミュレーションを用いることによって詳細に調べられた。使われた1つの手法が、特定の開始コンホメーションの折り畳みがほどける前の折り畳みの確率を測定するPfold値解析である。Pfoldは遷移状態構造と折り畳み経路に沿ったコンホメーションの規則化に関する情報を与える。Pfold計算におけるそれぞれのトラクジェクトリは比較的短くてもよいが、多くの独立したトラクジェクトリが必要である^[41]。
長い連続トラクジェクトリシミュレーションが、超並列スーパーコンピュータアントン上で実行された。発表された最長のアントンを用いて実行されたシミュレーション結果は355 KにおけるNTL9の1.112ミリ秒シミュレーションである。2番目は、同じ構造について独立して行われた1.073ミリ秒シミュレーションである^[42]。『How Fast-Folding Proteins Fold』において、研究者のKresten Lindorff-Larsen、Stefano Piana、Ron O. Dror、David E. Shawは「12種類の構造的に多様なタンパク質の折り畳みに内在する一連の一般原理を明らかにする100 μ秒から1 m秒の間の範囲に渡る原子レベルでの分子動力学シミュレーションの結果」について議論した。専用のカスタムハードウェアによって可能になったこれらの多様な長いトラクジェクトリの調査から、彼らは「ほとんどの場合において、折り畳みは、非折り畳み状態において形成される要素の傾向と高度に相関した順序でネイティブ構造の要素が現われる単一の支配的経路を取る」と結論付けた^[42]。別の研究において、300 Kにおけるウシ膵臓トリプシンインヒビター（BPTI）のネイティブ状態動力学の1.031ミリ秒シミュレーションを行うためにアントンが使われた^[43]。
これらの分子シミュレーションは、材料除去の機構や道具の形状、温度、切断速度や切断力といった加工パラメータの影響について理解するために用いられている^[44]。また、数層のグラフェン^[45]^[46]やカーボンナノスクロールの剥離の背後にある機構を調べるためにも用いられた。

分子動力学アルゴリズム

積分器

シンプレクティック積分器
ベルレ＝ストーマー積分
ルンゲ＝クッタ積分
ビーマンのアルゴリズム
拘束アルゴリズム（拘束された系）

短距離相互作用アルゴリズム

セル・リスト
ベルレ・リスト
結合相互作用

長距離相互作用アルゴリズム

エバルト和
粒子メッシュエバルト（Particle mesh Ewald、PME）
粒子–粒子–粒子–メッシュ（P3M）
Shifted force method
Isotropic periodic sum method

並列化戦略

領域分割法

脚注

^ ^a ^b ^c Alder, B. J.; T. E. Wainwright (1959). “Studies in Molecular Dynamics. I. General Method”. J. Chem. Phys. 31 (2): 459. Bibcode: 1959JChPh..31..459A. doi:10.1063/1.1730376.
^ ^a ^b ^c Rahman, A. (19 October 1964). “Correlations in the Motion of Atoms in Liquid Argon”. Physical Review 136 (2A): A405–A411. Bibcode: 1964PhRv..136..405R. doi:10.1103/PhysRev.136.A405.
^ Schlick, T. (1996). “Pursuing Laplace's Vision on Modern Computers”. In J. P. Mesirov, K. Schulten and D. W. Sumners. Mathematical Applications to Biomolecular Structure and Dynamics, IMA Volumes in Mathematics and Its Applications. 82. New York: Springer-Verlag. pp. 218–247. ISBN 978-0-387-94838-6
^ de Laplace, P. S. (1820) (French). Oeuveres Completes de Laplace, Theorie Analytique des Probabilites. Paris, France: Gauthier-Villars
^ Gibson, J B; Goland, A N; Milgram, M; Vineyard, G H (1960). “Dynamics of Radiation Damage”. Phys. Rev. 120: 1229–1253. Bibcode: 1960PhRv..120.1229G. doi:10.1103/PhysRev.120.1229.
^ Steve Plimpton. “Molecular Dynamics - Parallel Algorithms”. 2015年7月22日閲覧。
^ Streett WB, Tildesley DJ, Saville G; Tildesley; Saville (1978). “Multiple time-step methods in molecular dynamics”. Mol Phys 35 (3): 639–648. Bibcode: 1978MolPh..35..639S. doi:10.1080/00268977800100471.
^ Tuckerman ME, Berne BJ, Martyna GJ; Berne; Martyna (1991). “Molecular dynamics algorithm for multiple time scales: systems with long range forces”. J Chem Phys 94 (10): 6811–6815. Bibcode: 1991JChPh..94.6811T. doi:10.1063/1.460259.
^ Tuckerman ME, Berne BJ, Martyna GJ; Berne; Martyna (1992). “Reversible multiple time scale molecular dynamics”. J Chem Phys 97 (3): 1990–2001. Bibcode: 1992JChPh..97.1990T. doi:10.1063/1.463137.
^ Sugita, Yuji; Yuko Okamoto (1999). “Replica-exchange molecular dynamics method for protein folding”. Chem Phys Letters 314: 141–151. Bibcode: 1999CPL...314..141S. doi:10.1016/S0009-2614(99)01123-9.
^ Sinnott, S. B.; Brenner, D. W. (2012). “Three decades of many-body potentials in materials research”. MRS Bulletin 37 (5): 469–473. doi:10.1557/mrs.2012.88.
^ Albe, K.; Nordlund, K.; Averback, R. S. (2002). “Modeling metal-semiconductor interaction: Analytical bond-order potential for platinum-carbon”. Phys. Rev. B 65 (19): 195124. Bibcode: 2002PhRvB..65s5124A. doi:10.1103/physrevb.65.195124.
^ Brenner, D. W. (1990). “Empirical potential for hydrocarbons for use in simulating the chemical vapor deposition of diamond films”. Phys. Rev. B 42 (15): 9458–9471. Bibcode: 1990PhRvB..42.9458B. doi:10.1103/PhysRevB.42.9458.
^ Keith Beardmore and Roger Smith. (1996) Empirical potentials for c-si-h systems with application to C60 interactions with Si crystal surfaces. Phil. Mag. A 74:1439--1466.
^ Boris Ni, Ki-Ho Lee, and Susan B Sinnott. (2004) A reactive empirical bond order (rebo) potential for hydrocarbon oxygen interactions. J. Phys.: Condens. Matter 16:7261--7275.
^ van Duin, A.; Siddharth Dasgupta, François Lorant and William A. Goddard III; Lorant, Francois; Goddard, William A. (2001). “ReaxFF: A Reactive Force Field for Hydrocarbons”. J. Phys. Chem. A 105 (41): 9398. doi:10.1021/jp004368u.
^ Tersoff, J. (1989). “Modeling solid-state chemistry: Interatomic potentials for multicomponent systems”. Phys. Rev. B 39 (8): 5566–5568. Bibcode: 1989PhRvB..39.5566T. doi:10.1103/PhysRevB.39.5566.
^ Daw, M. S.; S. M. Foiles and M. I. Baskes (1993). “The embedded-atom method: a review of theory and applications”. Mat. Sci. And Engr. Rep. 9 (7–8): 251–310. doi:10.1016/0920-2307(93)90001-U.
^ Cleri, F.; V. Rosato (1993). “Tight-binding potentials for transition metals and alloys”. Phys. Rev. B 48: 22–33. Bibcode: 1993PhRvB..48...22C. doi:10.1103/PhysRevB.48.22.
^ Lamoureux G, Harder E, Vorobyov IV, Roux B, MacKerell AD; Harder; Vorobyov; Roux; MacKerell (2006). “A polarizable model of water for molecular dynamics simulations of biomolecules”. Chem Phys Lett 418: 245–249. Bibcode: 2006CPL...418..245L. doi:10.1016/j.cplett.2005.10.135.
^ Patel, S.; MacKerell, Jr. AD; Brooks III, Charles L (2004). “CHARMM fluctuating charge force field for proteins: II protein/solvent properties from molecular dynamics simulations using a nonadditive electrostatic model”. J Comput Chem 25 (12): 1504–1514. doi:10.1002/jcc.20077. PMID 15224394.
^ こういった手法のための方法論はウォーシェルと共同研究者らによって発表された。近年、アリー・ウォーシェル（南カリフォルニア大学）、Weitao Yang（デューク大学）、Sharon Hammes-Schiffer（ペンシルベニア州立大学）、ドナルド・トゥルーラーおよびJiali Gao（ミネソタ大学）、Kenneth Merz（フロリダ大学）を含む複数のグループによって開拓された。
^ Billeter, SR; SP Webb; PK Agarwal; T Iordanov; S Hammes-Schiffer (2001). “Hydride Transfer in Liver Alcohol Dehydrogenase: Quantum Dynamics, Kinetic Isotope Effects, and Role of Enzyme Motion”. J Am Chem Soc 123 (45): 11262–11272. doi:10.1021/ja011384b. PMID 11697969.
^ Smith, A; CK Hall (2001). “Alpha-Helix Formation: Discontinuous Molecular Dynamics on an Intermediate-Resolution Protein Model”. Proteins 44 (3): 344–360. doi:10.1002/prot.1100. PMID 11455608.
^ Ding, F; JM Borreguero; SV Buldyrey; HE Stanley; NV Dokholyan (2003). “Mechanism for the alpha-helix to beta-hairpin transition”. J Am Chem Soc 53 (2): 220–228. doi:10.1002/prot.10468. PMID 14517973.
^ Paci, E; M Vendruscolo; M Karplus (2002). “Validity of Go Models: Comparison with a Solvent-Shielded Empirical Energy Decomposition”. Biophys J 83 (6): 3032–3038. Bibcode: 2002BpJ....83.3032P. doi:10.1016/S0006-3495(02)75308-3. PMC 1302383. PMID 12496075.
^ Chakrabarty, A; T Cagin (2010). “Coarse grain modeling of polyimide copolymers”. Polymer 51 (12): 2786–2794. doi:10.1016/j.polymer.2010.03.060.
^ Nienhaus, Gerd Ulrich (2005). Protein-ligand interactions: methods and applications. pp. 54–56. ISBN 978-1-61737-525-5
^ Leszczyński, Jerzy (2005). Computational chemistry: reviews of current trends, Volume 9. pp. 54–56. ISBN 978-981-256-742-0
^ Kumar, Shankar; Rosenberg, John M.; Bouzida, Djamal; Swendsen, Robert H.; Kollman, Peter A. (1992). “The weighted histogram analysis method for free-energy calculations on biomolecules. I. The method”. J. Comput. Chem. 13 (8): 1011–1021. doi:10.1002/jcc.540130812.
^ Bartels, Christian (2000). “Analyzing biased Monte Carlo and molecular dynamics simulations”. Chem. Phys. Lett. 331 (5–6): 446–454. Bibcode: 2000CPL...331..446B. doi:10.1016/S0009-2614(00)01215-X.
^ Levitt, M; A Warshel (1975). “Computer Simulations of Protein Folding”. Nature 253 (5494): 694–8. Bibcode: 1975Natur.253..694L. doi:10.1038/253694a0. PMID 1167625.
^ Warshel, A (1976). “Bicycle-pedal Model for the First Step in the Vision Process”. Nature 260 (5553): 679–683. Bibcode: 1976Natur.260..694B. doi:10.1038/260679a0.
^ Averback, R. S.; Diaz de la Rubia, T. (1998). “Displacement damage in irradiated metals and semiconductors”. In H. Ehrenfest and F. Spaepen. Solid State Physics. 51. New York: Academic Press. pp. 281–402
^ R. Smith, ed (1997). Atomic & ion collisions in solids and at surfaces: theory, simulation and applications. Cambridge, UK: Cambridge University Press
^ Offman, MN; M Krol; I Silman; JL Sussman; AH Futerman (2010). “Molecular basis of reduced glucosylceramidase activity in the most common Gaucher disease mutant, N370S”. J. Biol. Chem. 285 (53): 42105–42114. doi:10.1074/jbc.M110.172098. PMC 3009936. PMID 20980259.
^ Offman, MN; M Krol; B Rost; I Silman; JL Sussman; AH Futerman (2011). “Comparison of a molecular dynamics model with the X-ray structure of the N370S acid-beta-glucosidase mutant that causes Gaucher disease”. Protein Eng. Des. Sel. 24 (10): 773–775. doi:10.1093/protein/gzr032. PMID 21724649.
^ Hu, Han; Sun, Ying. “Molecular dynamics simulations of disjoining pressure effect in ultra-thin water film on a metal surface”. Appl. Phys. Lett. 14: 263110. Bibcode: 2013ApPhL.103z3110H. doi:10.1063/1.4858469.
^ David A Welch, B Layla Mehdi, Hannah J Hatchell, Roland Faller, James E Evans and Nigel D Browning (2015). “Using molecular dynamics to quantify the electrical double layer and examine the potential for its direct observation in the in-situ TEM”. Advanced Structural and Chemical Imaging 1: 1. doi:10.1186/s40679-014-0002-2.
^ Freddolino P, Arkhipov A, Larson SB, McPherson A, Schulten K. “Molecular dynamics simulation of the Satellite Tobacco Mosaic Virus (STMV)”. Theoretical and Computational Biophysics Group. University of Illinois at Urbana Champaign. 2015年8月26日閲覧。
^ The Folding@Home Project and recent papers published using trajectories from it. Vijay Pande Group. Stanford University
^ ^a ^b Lindorff-Larsen, Kresten; Piana, Stefano; Dror, Ron O.; Shaw, David E. (2011). “How Fast-Folding Proteins Fold”. Science 334 (6055): 517–520. Bibcode: 2011Sci...334..517L. doi:10.1126/science.1208351. PMID 22034434.
^ Shaw, David E.; Maragakis, Paul; Lindorff-Larsen, Kresten; Piana, Stefano; Dror, Ron O.; Eastwood, Michael P.; Bank, Joseph A.; Jumper, John M. et al. (2010). “Atomic-Level Characterization of the Structural Dynamics of Proteins”. Science 330 (6002): 341–346. Bibcode: 2010Sci...330..341S. doi:10.1126/science.1187409. PMID 20947758.
^ Goel S, Luo; Reuben R L. “Molecular dynamics simulation model for the quantitative assessment of tool wear during single point diamond turning of cubic silicon carbide”. Comput. Mater. Sci 51.
^ Jayasena, Buddhika; Subbiah Sathyan (2011). “A novel mechanical cleavage method for synthesizing few-layer graphenes”. Nanoscale Research Letters 6 (1): 95. Bibcode: 2011NRL.....6...95J. doi:10.1186/1556-276X-6-95. PMC 3212245. PMID 21711598.
^ Jayasena, B; Reddy C.D; Subbiah S. “Separation, folding and shearing of graphene layers during wedge-based mechanical exfoliation”. Nanotechnology. 24 (20): 205301. Bibcode: 2013Nanot..24t5301J. doi:10.1088/0957-4484/24/20/205301.