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論文

A Noniterative mean-field QM/MM-type approach with a linear response approximation toward an efficient free-energy evaluation

城戸 健太朗

Journal of Computational Chemistry, 40(24), p.2072 - 2085, 2019/09

 被引用回数:1 パーセンタイル:78.85(Chemistry, Multidisciplinary)

Mean-field treatment of solvent provides an efficient technique to investigate chemical processes in solution in QM/MM framework. In the algorithm, an iterative calculation is required to obtain the self-consistency between QM and MM regions, which is a time-consuming step. In the present study, we have proposed a non-iterative approach by introducing a linear response approximation (LRA) into the solvation term in the one-electron part of Fock matrix in a hybrid approach between MO calculations and a three-dimensional integral equation theory for molecular liquids (MC-MOZ-SCF; Kido $textit{et al.}$, J. Chem. Phys. $textbf{143}$, 014103 (2015)). To save the computational time, we have also developed a fast method to generate electrostatic potential map near solute and the solvation term in Fock matrix, using Fourier transformation (FT) and real spherical harmonics expansion (RSHE). To numerically validate the LRA and FT-RSHE method, we applied the present approach to water, carbonic acid and their ionic species in aqueous solution. Molecular properties of the solutes were evaluated by the present approach with four different types of initial wave function and compared with those by the original (MC-MOZ-SCF). From the averaged speed up ratio, the present approach is 13.5 times faster than MC-MOZ-SCF.

論文

ERmod; Fast and versatile computation software for solvation free energy with approximate theory of solutions

櫻庭 俊; 松林 伸幸*

Journal of Computational Chemistry, 35(21), p.1592 - 1608, 2014/08

 被引用回数:38 パーセンタイル:21.12(Chemistry, Multidisciplinary)

ERmodはエネルギー表示法に基づく、効率よく溶媒和自由エネルギーを近似計算するソフトウェアである。溶液系・参照溶媒系の2状態での分子シミュレーションのみから、溶媒和自由エネルギーを計算することが可能である。ERmodのサブプログラムである$texttt{ermod}$は溶質溶媒間相互作用エネルギーの分布関数を計算し、別のサブプログラムである$texttt{slvfe}$は溶媒和自由エネルギーを分布関数から溶液の近似汎関数理論に従い計算する。本論文ではERmodの設計と実装について記述し、またそのパフォーマンスを2つの有機分子と2つのタンパク質を溶質とする系について示す。ERmodの利用範囲は幅広く、均一溶媒系である流体やポリマーのみならず、ミセルや脂質膜系などのナノ不均一系まで適用可能である。ERmodは$texttt{http://sourceforge.net/projects/ermod}$にて公開されている。

論文

Adaptive lambda square dynamics simulation; An Efficient conformational sampling method for biomolecules

池部 仁善; 櫻庭 俊; 河野 秀俊

Journal of Computational Chemistry, 35(1), p.39 - 50, 2014/01

 被引用回数:13 パーセンタイル:50.93(Chemistry, Multidisciplinary)

A novel, efficient sampling method for biomolecules is proposed. The partial McMD was recently developed as a method that improved generalized ensemble (GE) methods to focus sampling only on a part of a system (GEPS); however, it was not tested well. We found that partial McMD did not work well for poly-lysine decapeptide and gave significantly worse sampling efficiency than a conventional GE. Herein, we elucidate the fundamental reason for this and propose a novel GEPS, adaptive lambda square dynamics (ALSD), which can resolve the problem faced when using partial McMD. We demonstrate that ALSD greatly increases the sampling efficiency over a conventional GE. We believe that ALSD is an effective method and is applicable to the conformational sampling of larger and more complicated biomolecule systems.

論文

A Possible overestimation of the effect of acetylation on lysin residues in KQ mutant analysis

藤本 浩文*; 樋口 真理子; 小池 学*; 大出 裕高*; Pinak, M.; Kotulic Bunta, J.*; 根本 俊行*; 作道 隆*; 本田 尚子*; 前川 秀彰*; et al.

Journal of Computational Chemistry, 33(3), p.239 - 246, 2012/01

 被引用回数:18 パーセンタイル:44.19(Chemistry, Multidisciplinary)

リジン残基のアセチル化は、タンパク質が受ける翻訳後修飾の中で最も一般的なものの一つである。本研究では、DNA修復酵素の一つであるKuタンパク質内のリジン残基がアセチル化されると、その基質であるDNAとの結合力がどのように変化するのかをコンピュータシミュレーションを用いて検証した。擬似アセチル化タンパク質のモデルとして実験的によく用いられる、グルタミン置換変異体(KQ変異体)ではDNAとの結合力が下がり、非擬似アセチル化タンパク質モデルとして用いられるアルギニン置換変異体(KR変異体)では結合力は低下しなかった。このシミュレーション結果は既報の実験結果と完全に一致している。一方、これらのリジン残基をアセチル化してもDNAとの結合力は低下しなかった。したがって、擬似アセチル化タンパク質のモデルとしてKQ変異体を用いると、アセチル化の影響を過大評価する場合があると考えられる。

論文

Branch migration of Holliday junction in RuvA tetramer complex studied by umbrella sampling simulation using a path-search algorithm

石田 恒

Journal of Computational Chemistry, 31(12), p.2317 - 2329, 2010/09

Branch migration of the Holliday junction takes place at the center of the RuvA tetramer. To elucidate how branch migration occurs, umbrella sampling simulations were performed for complexes of the RuvA tetramer and Holliday junction DNA. While conventional umbrella sampling simulations set sampling points a priori, the umbrella sampling simulation in this study set the sampling points one by one in order to search for a realistic path of the branch migration during the simulations. Starting from the X-ray structure of the complex, in which the hydrogen bonds between two base-pairs were unformed, the hydrogen bonds between the next base-pairs of the shrinking stems were observed to start to disconnect. At the intermediate stage, three or four of the eight unpaired bases interacted closely with the acidic pins from RuvA. During the final stage, these bases moved away from the pins and formed the hydrogen bonds of the new base-pairs of the growing stems. The free-energy profile along this reaction path showed that the intermediate stage was ameta-stable state between two free-energy barriers of about 10-15 kcal/mol. These results imply that the pins play an important role in stabilizing the interactions between the pins and the unpaired base-pairs.

論文

Molecular dynamics simulation of clustered DNA damage sites containing 8-oxoguanine and abasic site

藤本 浩文*; Pinak, M.; 根本 俊行*; O'Neill, P.*; 久米 悦雄; 斎藤 公明; 前川 秀明*

Journal of Computational Chemistry, 26(8), p.788 - 798, 2005/06

 被引用回数:22 パーセンタイル:43.32(Chemistry, Multidisciplinary)

電離放射線によるDNAクラスター損傷は修復され難く、細胞のガン化など生体にとって深刻な事態を引き起こす原因の一つと考えられている。DNAクラスター損傷を持つDNA分子には、単独の損傷を持つ分子と比べるとDNA修復酵素が作用し難いことが、生化学的・分子生物学的実験によって示されているが、どのような要因が酵素の作用阻害に関わっているかはいまだ不明である。そこで本研究では、DNAクラスター損傷における酵素の作用阻害の要因を、計算科学的手法を用いて考察した。既報の実験で用いられたDNA分子と同配列となるように、7,8-dihydro-8-oxoguanine(8-oxoG)及びapurinic/apyrimidinic(AP) siteという2つの酸化損傷部位が数塩基はなれた位置に存在する40merのDNA分子を、2損傷部位間の距離を変えて6種類設計し、それぞれに対し分子動力学的(MD)シミュレーションを1nsのオーダーで行った。その結果、損傷部位における分子の屈曲や、損傷塩基と相補鎖上の塩基との相互静電エネルギーの減少など損傷DNA分子に特徴的な構造や性質が観察された。これらの特徴によって修復酵素がDNAに結合できず、したがって修復効率が低下したのではないかと推察される。

論文

8-oxoguanine lesioned B-DNA molecule complexed with repair enzyme hOGG1; A Molecular dynamics study

Pinak, M.

Journal of Computational Chemistry, 24(7), p.898 - 907, 2003/04

 被引用回数:8 パーセンタイル:62.22(Chemistry, Multidisciplinary)

突然変異を誘発するDNA酸化損傷である7,8-ジヒドロ-8-オキソグアニン(8-oxoG)と、ヒト修復酵素であるオキソグアニングリコシレース1(hOGG1)とが形成する複合体の分子動力学的シミュレーションを1ナノ秒(ns)行い、DNA-酵素複合体の形成にかかわる動力学的過程の検討を行った。分子動力学的シミュレーション開始後500ピコ秒(ps)でDNA-酵素複合体が形成され、シミュレーションが終了する1ns後まで安定していた。複合体はおもにDNAと酵素のファンデルワールス面の重なり合いによって定義されており、アルギニン313のN末端はヌクレオチドのリン酸ジエステル結合の近傍に位置して、8-oxoGはアミノ酸と損傷と化学反応を可能にしている。また水素結合の切断によって部分的に構造が破壊されたB型DNAが観察された。8-oxoGの5'位のリン酸ジエステル結合は、アルギニン313のN末端に近い位置に移動している。DNAと酵素の近接箇所では水分子を介した水素結合が形成され、複合体の安定性を高めている。正常なDNAを用いた同様の分子系で行ったシミュレーションでは、複合体や水分子を介した水素結合は観察されたなかった。

論文

Molecular dynamics simulation of thymine glycol-lesioned DNA reveals specific hydration at the lesion

Pinak, M.

Journal of Computational Chemistry, 22(15), p.1723 - 1731, 2001/11

 被引用回数:3 パーセンタイル:77.31(Chemistry, Multidisciplinary)

チミングリコール(TG)を持つDNAと修復酵素エンドヌクレアーゼIIIの複合体形成過程について、分子動力学計算を用いて調べた。修復酵素とTGを持つ30塩基対長のDNAが水溶液中に存在する系をモデル化し、2ナノ秒間のシミュレーションを行った。シミュレーション開始から約1ナノ秒後にDNAと修復酵素は複合体を形成し、シミュレーションが終了するまで安定な構造を保持した。酵素とDNAの結合領域において、グルタミン酸がリン酸結合のC3'分子から1.6オングストロームの位置まで接近していることがわかった。これは、修復過程で切断される2つの結合のうちの1つにあたる。また、TGのある部分でDNAは折れ曲がったが、この変形により修復酵素が損傷部分に近づきやすくなると考えられる。さらに、静電エネルギーの変化も損傷認識過程において重要な寄与をしていることが確認された。

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