立教大学

東京大学生産技術研究所
立教大学
日本大学
みずほ情報総研株式会社

東京大学の加藤千幸教授、立教大学の望月祐志教授、日本大学の福澤薫助教、みずほ情報総研の加藤幸一郎コンサルタントらの研究グループは、生体親和材料であるハイドロキシアパタイトと微小タンパク質（人造ペプチド）の相互作用の系統的な大規模計算解析に世界で初めて成功しました。この成果は、東京大学生産技術研究所を拠点とする、文部科学省次世代IT 基盤構築のための研究開発「イノベーション基盤シミュレーションソフトウェアの研究開発」、ならびに文部科学省「HPCI戦略プログラム」分野４次世代ものづくりのプロジェクト（共に研究代表者は加藤千幸教授）において独自開発を進めてきたFMO計算プログラム『ABINIT-MP』とその可視化インターフェース『BioStationViewer』を用いて初めて可能になったものです。

このシミュレーション成果は、歯科治療における接着材料の開発に応用することが期待されるばかりでなく、骨形成メカニズムの解明や安全性の高い歯科・外科用インプラントの設計、ハイドロキシアパタイトを表面に有するバイオセンサーでの検出過程のシミュレーションなどのナノバイオテクノロジー分野の研究・設計に幅広く役立つと期待されます。また今回の開発によって、ABINIT-MP/BioStationViewerは、シリカの様な共有結合性固体に加えてヒドロキシアパタイトの様なイオン結合性固体の両方に対応することが可能になりましたので、ナノバイオ界面の設計ツールとしての完成度も高められています。

発表ポイント
（1）フラグメント分子軌道（FMO）法（注1）のための独自開発の並列化プログラムABINIT-MPと可視化解析システムBioStationViewer（注2）を用いて、1.4千原子から成る巨大なハイドロキシアパタイト結晶と接着性の微小タンパク質（ペプチド）との相互作用を電子状態レベルで詳細に解析することに成功しました。

（2）ハイドロキシアパタイト表面とペプチドとの親和性に対する電子的なメカニズムを世界で初めて明らかにしました。歯科学における接着性ペプチドの機能デザインなどに役立つと期待されます。

（3）今回のシミュレーション手法は、歯や骨の治療に関わるばかりでなく、ナノバイオテクノロジーの諸問題に展開することが出来ます。また、並列計算資源の利活用により、安全なインプラント、高感度なバイオセンサー、機能性ナノ粒子の表面に関する合理的設計に有用な実用ツールとなります。

生化学や生物物理化学の分野では、タンパク質やDNAなどの巨大分子系が研究対象となりますが、それらを量子論的に扱うためには計算コストの低減が必要となります。そのため、高速計算のための種々のアプローチが提案[1]されていますが、中でもフラグメント分子軌道（FMO）法[2]は、並列処理との高相性もあり、実際の応用計算の上で最も成功を収めていると言えます。FMO法を用いることで計算コストの低減が可能なだけでなく、FMO計算から得られるフラグメント間相互作用エネルギー（IFIEないしPIEと呼ばれる）から、分子間相互作用の詳細解析に好適な指標を得ることができます [3,4]。とりわけ、医薬品候補化合物（リガンド）が結合する標的タンパク質の結合サイトにおいて、周辺アミノ酸残基との相互作用情報は理論創薬で有益[4]であるため、製薬業界にはFMO計算が普及しつつあります。

本研究グループでは、これまで、独自に開発してきた並列化FMO計算プログラムABINIT-MPに4体までのフラグメント展開を行うFMO4法[5]（注3）を実装し、4体補正によって計算精度が飛躍的に向上することを実証しました。FMO4法によればダイヤモンド、シリコン、シリカなどのバンドギャップを有する3次元の固体結晶の扱いも精度を保持して可能となることを示し[5]、大規模なシリカ結晶表面への微小タンパク質（人造ペプチド）の吸着状態の量子論的な解析に、FMO4計算によって世界で初めて成功しています[6]。

一方、固体と生体分子の相互作用の解析は、インプラントの表面改質による生体親和性の向上、ナノ粒子による薬剤投与（ドラッグデリバリ）、生体結晶析出（バイオミネラリゼーション）などの設計製造に係る医療工学や生物工学、さらには極微量でのタンパク質やDNAの検出を意図した高感度バイオセンサーといったデバイス類を開発する応用物理学の分野まで、いわゆるナノバイオテクノロジーの境界/界面の問題として、近年重要視されています。ナノバイオテクノロジーのシミュレーションでも、古典分子動力学もしくは古典/量子論混成モデリングが使われてきていますが、古典分子動力学法では電荷移動や化学反応などの電子論的な描像は捉えることが出来ず、古典/量子論混成においては量子論領域が広範囲となるために実際の計算は困難です。また、密度汎関数計算も周期性を課す場合には扱いが難しくなります。そのため、他の手法での文献[6]と同様の解析は現時点では困難であり、文献[6]はナノバイオテクノロジー分野におけるFMO計算の一里塚となりました。（前回、シリカとペプチドのFMO4計算による相互作用解析をまとめた文献[6]の研究成果を2013年4月30日にプレス発表しています。）

今回[7]は、FMO法のナノバイオテクノロジーの境界/界面への新たな適用として、生体親和性材料であるハイドロキシアパタイトの巨大結晶と人造ペプチド[8,9]との詳細な相互作用解析に世界で初めて成功しました。ハイドロキシアパタイトは歯や骨の主要な無機成分であり、表面のエナメル質と特異的に接着するペプチド分子を、計算結果を利用しつつ効率的に見出すことで、歯科学におけるより高性能な接着材料の設計や骨形成を促進する骨補填材料の開発などに広く役立つと期待されます。これは、プログラムシステムとしてのABINIT-MP、随伴する可視化インターフェースBioStationViewerのツールとしての進歩を示すものです。

K. Kato, K. Fukuzawa, Y. Mochizuki*, “Modeling of hydroxyapatite - peptide interaction based on fragment molecular orbital method”, Chemical Physics Letters, in press (DOI information: 10.1016/j.cplett.2015.03.057).

注1:フラグメント分子軌道（FMO: Fragment Molecular Orbital）法
タンパク質のような巨大な分子系を小さなフラグメント（アミノ酸残基など）に分けて、並列処理を駆使して計算コストを低減する分割-統合系の手法[1]の中の代表的な計算法。1999年に北浦ら[2]が提案し、この15年ほどで急速に技術開発と応用計算が展開されている。FMO計算からは、フラグメント間の相互作用エネルギー（IFIEやPIEと呼ばれる）が得られ、系内部の相互作用の解析に好適である[3,4]。

注2:BioStationViewer
FMO計算では結合を切断してフラグメントに分割する際に注意が必要であり、タンパク質のように大型の系では人間が手動で行うとミスが発生しやすいために、可視的な支援ツール（GUI）の利用が望ましい。また、IFIEなどの結果データも膨大な量となるためにログファイルなどから手動で拾い、物理化学的な意味を理解することは困難であり、やはり可視化インターフェースの利用が有用である。BioStationViewerは、ABINIT-MPと共に開発が進められてきたGUIで使い勝手に大変優れ、応用計算のワークフローを強力にサポートする[4]。

注3:FMO4法
フラグメントの展開を4体（テトラマー）まで拡張した手法で、分割しないMO計算に比してもエネルギーの誤差が少ない[5]。FMO4法は、ABINIT-MP[4]にのみ実装されており、高速化の工夫により通常の2体展開に比して10倍程度のコスト増で計算出来る。FMO4計算によれば、リガンドの複数分割とアミノ酸残基の主鎖・側鎖分割を伴う高解像度の解析も可能である[4]。また、ダイヤモンド、シリコン、シリカなどの3次元の結合ネットワークを持つ固体[5,6]、さらにハイドロキシアパタイトのようなイオン結晶も扱うことが出来る[7]。

注4:計算時間
ABINIT-MPは、高い並列処理親和性と共に演算カーネルの高速化も進んでおり、「京」にも対応している（HPCI-戦略分野4のライブラリとして登録済み）。今回は、小規模なサーバを用いて1構造あたり3時間でFMO4-MP2エネルギー計算を処理している。今後、「京」のような超並列計算機を利用すれば、タンパク質とより大型の結晶モデルを使った実在系のモデルを効率よく実行出来、ナノバイオテクノロジー分野での合理的設計に役立つと期待される。

注5:SCIFIE
イオン性が強い系ではIFIEが過大評価される傾向にあるが、SCIFIEではフラグメント間の遮蔽を統計的に補正する手法によって遠方のフラグメントで期待される減衰効果を含めた値を得ることが出来る[10]。

[1]M.S. Gordon, D.G. Fedorov, S.R. Pruitt, L. V. Slipchenko, Chem. Rev. 112 (2012) 632.
[2]K. Kitaura, E. Ikeo, T. Asada, T. Nakano, M. Uebayasi, Chem. Phys. Lett. 313 (1999) 701.
[3]D.G. Fedorov, T. Nagata, K. Kitaura, Phys. Chem. Chem. Phys. 14 (2012) 7562.
[4]S. Tanaka, Y. Mochizuki, Y. Komeiji, Y. Okiyama, K. Fukuzawa, Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (2014) 10310.
[5]T. Nakano, Y. Mochizuki, K. Yamashita, C. Watanabe, K. Fukuzawa, K. Segawa, Y. Okiyama, T. Tsukamoto, S. Tanaka, Chem. Phys. Lett. 523 (2012) 128.
[6]Y. Okiyama, T. Tsukamoto, C. Watanabe, K. Fukuzawa, S. Tanaka, Y. Mochizuki, Chem. Phys. Lett. 566 (2013) 25.
[7]K. Kato, K. Fukuzawa, Y. Mochizuki, Chem. Phys. Lett., in press (DOI information: 10.1016/j.cplett.2015.03.057).
[8]G. He, T. Dahl, A. Veis, A. George, Nat. Mater. 2 (2003) 552.
[9]T. Tsuji, Y. Oaki, M. Yoshinari, T. Kato, K. Shiba, Chem. Comm. 46 (2010) 6675.
[10]S. Tanaka, C. Watanabe, Y. Okiyama, Chem. Phys. Lett. 556 (2013) 272.

この研究の実施にあたっては、文部科学省「HPCI戦略プログラム」分野4－次世代ものづくりプロジェクト、ならびに「立教大学学術推進特別重点資金（SFR）」－共同プロジェクト研究「固体表面と分子との相互作用に関する計算化学と分析化学の連携研究」の支援を得ました。