JP2004206171A - タンパク質構造最適化装置、タンパク質構造最適化方法、プログラム、および、記録媒体 - Google Patents
タンパク質構造最適化装置、タンパク質構造最適化方法、プログラム、および、記録媒体 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】蛋白質の構造を分割しながら所望の原子座標の最適化を行うことのできるタンパク質構造最適化装置、タンパク質構造最適化方法、プログラム、および、記録媒体を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明は、タンパク質の座標データを取得し、タンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基から所定の距離内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出し、近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基を付加し、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算し、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群について、計算された電荷を用いて特定のアミノ酸残基の原子座標について構造最適化を実行し、最適化された原子座標を、タンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換する。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明は、タンパク質の座標データを取得し、タンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基から所定の距離内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出し、近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基を付加し、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算し、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群について、計算された電荷を用いて特定のアミノ酸残基の原子座標について構造最適化を実行し、最適化された原子座標を、タンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タンパク質構造最適化装置、タンパク質構造最適化方法、プログラム、および、記録媒体に関し、特に、蛋白質の構造を分割しながら所望の原子座標の最適化を行うことのできるタンパク質構造最適化装置、タンパク質構造最適化方法、プログラム、および、記録媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
タンパク質の立体構造を基にしたドラッグデザインを行う際には、一般的に結晶構造が出発構造となる場合が多いが（例えば、非特許文献１参照。）、これには２つの問題がある。ひとつは、Ｘ線結晶回折では一般的には水素位置が決められないことである（例えば、非特許文献２参照。）。欠落している水素は、モデリングソフト（例えば、Ａｃｃｅｌｒｙｓ Ｉｎｃ．（会社名）の「ＷｅｂＬａｂ Ｖｉｅｗｅｒ Ｐｒｏ ４．２」（製品名）や「Ｉｎｓｉｇｈｔ ＩＩ」（製品名）（ｗｗｗ．ａｃｃｅｌｒｙｓ．ｃｏｍ）、Ｔｒｉｐｏｓ，Ｉｎｃ．（会社名）の「ＳＹＢＹＬ ６．７」（製品名）（ｗｗｗ．ｔｒｉｐｏｓ．ｃｏｍ）、ＣａｍｂｒｉｄｇｅＳｏｆｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（会社名)の「Ｃｈｅｍ３Ｄ ７．０」（製品名）（ｗｗｗ．ｃａｍｓｏｆｔ．ｃｏｍ）など）を用いて機械的に付加することはできるが、エネルギー的に安定となる配向となるわけではない。もう一つの問題は、結晶構造中では分子がパッキングされるために、いわば「干物」のような状態となっており、その構造が必ずしも生体中で機能している構造を反映しているとは限らないことである。「生身の状態」に近づけるためには、少なくとも側鎖部分をリラックスさせる必要がある。そのため、局所的な原子構造の安定化のために、構造最適化が不可欠となる（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
また、タンパク質の電子状態を計算する手法には、例えば、半経験的分子軌道計算プログラムである「ＭＯＰＡＣ２０００ ｖｅｒ．１．０」（製品名）（Ｆｕｊｉｔｕ Ｌｉｍｉｔｅｄ（会社名） Ｔｏｋｙｏ，２０００）に実装されている「ＭＯＺＹＭＥ法」（例えば、非特許文献３参照。）などがある。この方法を用いると、２万原子程度、１０００残基のタンパク質の実用的なレベルで計算できる。ただし、これは「ＥＦ（Ｅｉｇｅｎｖｅｃｔｏｒ Ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ）法」（例えば、非特許文献４参照。）や「ＢＦＧＳ（Ｂｒｏｙｄｅｎ−Ｆｌｅｔｃｈｅｒ−Ｇｏｌｄｆａｒｂ−Ｓｈａｎｎｏ）法」（例えば、非特許文献５−８参照。）などの構造最適化を行わない場合である。ＭＯＰＡＣ２０００では通常、低分子に対しては信頼性の高いＥＦ法が用いられ、高分子に対しては収束が速く必要メモリの少量化が図れるＢＦＧＳ法が用いられる。
【０００４】
また、生体分子の計算においては溶媒効果を考慮することが重要である（例えば、非特許文献１および非特許文献９参照。）。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｈ．−Ｄ．ヘルツェ，Ｇ．フォルカース著，江崎俊之訳，「分子モデリング」，地人書館，１９９８年
【非特許文献２】
平山令明著，「生命科学のための結晶解析入門」，丸善株式会社， １９９６年
【非特許文献３】
Ｊ．Ｊ．Ｐ．Ｓｔｅｗａｒｔ，Ｉｎｔ．Ｊ．Ｑｕａｎｔ．Ｃｈｅｍ．， ５８，１３３，１９９６．
【非特許文献４】
Ｊ．Ｂａｋｅｒ，Ｊ．Ｃｏｍｐ．Ｃｈｅｍ．，７，３８５，１９８６．
【非特許文献５】
Ｃ．Ｇ．Ｂｒｏｙｄｅｎ，Ｃｏｍｐｕｔｒ Ｊｏｕｒｎａｌ，１３，３１７，１９７０．
【非特許文献６】
Ｒ．Ｆｌｅｔｃｈｅｒ，Ｊ．Ｉｎｓｔ．Ｍａｔｈ．Ａｐｐｌ．，６，２２２，１９７０．
【非特許文献７】
Ｄ．Ｇｏｌｄｆａｒｂ，Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ，２４，２３，１９７０．
【非特許文献８】
Ｄ．Ｆ．Ｓｈａｎｎｏ，Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ，２４，６４７，１９７０．
【非特許文献９】
櫻井 実，猪飼 篤編，「生物工学基礎コース 計算機化学入門」，丸善株式会社，１９９９
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、蛋白質の全原子について上述したいずれかの手法により構造最適化を行う際の実用的な最適化計算は、水素原子だけ最適化する場合には８００残基程度、側鎖を最適化する場合には５００残基程度が限度となるというシステム構造上の問題点を有していた。
【０００７】
ここで、本問題点は近傍に位置する原子の立体障害などが主要因であるため、何も全原子を一度に計算に考慮する必要はなく、それぞれの部位について、局所的に見て安定な構造を求めてあげれば良いはずである。つまり、全体構造を部分構造に分割し、局所的な構造最適化を繰り返すことで、この問題を実用的な計算資源を用いて解決することができる。しかしながら、従来の最適化計算において、蛋白質の構造を分割しながら高精度で最適化を行う手法は存在しなかった。
【０００８】
生体分子の計算における溶媒効果の重要性について種々の文献により指摘されているが（例えば、非特許文献１および非特許文献９参照。）、従来の方法では溶媒効果を考慮に入れたタンパク質の構造最適化が不可能であった。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、蛋白質の構造を分割しながら所望の原子座標の最適化を行うことのできる、タンパク質構造最適化装置、タンパク質構造最適化方法、プログラム、および、記録媒体を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、請求項１に記載のタンパク質構造最適化装置は、タンパク質の座標データを取得する座標データ取得手段と、上記タンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基から所定の距離内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出する近傍アミノ酸残基群抽出手段と、上記近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基を付加するキャップ付加手段と、上記キャップ付加手段により上記キャップ用置換基が付加された上記近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算する電荷計算手段と、上記キャップ付加手段により上記キャップ用置換基が付加された上記近傍アミノ酸残基群について、上記電荷計算手段により計算された上記電荷を用いて上記特定のアミノ酸残基の原子座標について構造最適化を実行する構造最適化手段と、上記構造最適化手段にて最適化された上記原子座標を、上記タンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換する原子座標置換手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
この装置によれば、タンパク質の座標データを取得し、タンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基から所定の距離内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出し、近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基を付加し、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算し、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群について、計算された電荷を用いて特定のアミノ酸残基の原子座標について構造最適化を実行し、最適化された原子座標を、タンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換するので、水素位置の決定やパッキングの問題の解消を、実用的な計算資源を用いて行うことが可能となる。
【００１２】
また、この装置によれば、既存の計算プログラムには一切手を加えずに最適化処理の高速化を図ることができる。すなわち、既存の分子軌道計算プログラムや、分子力学計算プログラムの入出力ファイルを用いて、本装置を実行することができる。但し、本装置のアルゴリズムを既存の分子軌道計算プログラムや、分子力学計算プログラムに組み込むことも可能である。
【００１３】
また、この装置によれば、従来の方法では不可能な溶媒効果を考慮に入れたタンパク質の構造最適化が可能になる。
【００１４】
また、請求項２に記載のタンパク質構造最適化装置は、請求項１に記載のタンパク質構造最適化装置において、上記キャップ用置換基は、水素原子（Ｈ）またはメチル基（ＣＨ3）であることを特徴とする。
【００１５】
これはキャップ用置換基の一例を一層具体的に示すものである。この装置によれば、キャップ用置換基は、水素原子（Ｈ）またはメチル基（ＣＨ3）であるので、近傍アミノ酸残基群について機械的に座標を切り取ったときの切り口が、ラジカルとなり計算に不都合を生じることを容易に解消することができるようになる。
【００１６】
また、請求項３に記載のタンパク質構造最適化装置は、請求項１または２に記載のタンパク質構造最適化装置において、近傍アミノ酸残基群抽出手段は、抽出した上記近傍アミノ酸残基群の中にシステイン（ＣＹＳ）が含まれている場合には、当該システイン（ＣＹＳ）とジスルフィド結合をしておりかつ上記近傍アミノ酸残基群には含まれない別のシステイン（ＣＹＳ）が存在しているか判定し、当該別のシステイン（ＣＹＳ）が存在する場合には当該別のシステイン（ＣＹＳ）も近傍アミノ酸残基群に加えることを特徴とする。
【００１７】
これは近傍アミノ酸残基群抽出手段の一例を一層具体的に示すものである。この装置によれば、近傍アミノ酸残基群抽出手段は、抽出した近傍アミノ酸残基群の中にシステイン（ＣＹＳ）が含まれている場合には、当該システイン（ＣＹＳ）とジスルフィド結合をしておりかつ近傍アミノ酸残基群には含まれない別のシステイン（ＣＹＳ）が存在しているか判定し、当該別のシステイン（ＣＹＳ）が存在する場合には当該別のシステイン（ＣＹＳ）も近傍アミノ酸残基群に加えるので、システイン間のジスルフィド結合を考慮して構造最適化を行うことができるようになる。
【００１８】
また、本発明はタンパク質構造最適化方法に関するものであり、請求項４に記載のタンパク質構造最適化方法は、タンパク質の座標データを取得する座標データ取得ステップと、上記タンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基から所定の距離内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出する近傍アミノ酸残基群抽出ステップと、上記近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基を付加するキャップ付加ステップと、上記キャップ付加ステップにより上記キャップ用置換基が付加された上記近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算する電荷計算ステップと、上記キャップ付加ステップにより上記キャップ用置換基が付加された上記近傍アミノ酸残基群について、上記電荷計算ステップにより計算された上記電荷を用いて上記特定のアミノ酸残基の原子座標について構造最適化を実行する構造最適化ステップと、上記構造最適化ステップにて最適化された上記原子座標を、上記タンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換する原子座標置換ステップとを含むことを特徴とする。
【００１９】
この方法によれば、タンパク質の座標データを取得し、タンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基から所定の距離内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出し、近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基を付加し、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算し、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群について、計算された電荷を用いて特定のアミノ酸残基の原子座標について構造最適化を実行し、最適化された原子座標を、タンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換するので、水素位置の決定やパッキングの問題の解消を、実用的な計算資源を用いて行うことが可能となる。
【００２０】
また、この方法によれば、既存の計算プログラムには一切手を加えずに最適化処理の高速化を図ることができる。すなわち、既存の分子軌道計算プログラムや、分子力学計算プログラムの入出力ファイルを用いて、本方法を実行することができる。但し、本方法のアルゴリズムを既存の分子軌道計算プログラムや、分子力学計算プログラムに組み込むことも可能である。
【００２１】
また、この方法によれば、従来の方法では不可能な溶媒効果を考慮に入れたタンパク質の構造最適化が可能になる。
【００２２】
また、請求項５に記載のタンパク質構造最適化方法は、請求項４に記載のタンパク質構造最適化方法において、上記キャップ用置換基は、水素原子（Ｈ）またはメチル基（ＣＨ3）であることを特徴とする。
【００２３】
これはキャップ用置換基の一例を一層具体的に示すものである。この方法によれば、キャップ用置換基は、水素原子（Ｈ）またはメチル基（ＣＨ3）であるので、近傍アミノ酸残基群について機械的に座標を切り取ったときの切り口が、ラジカルとなり計算に不都合を生じることを容易に解消することができるようになる。
【００２４】
また、請求項６に記載のタンパク質構造最適化方法は、請求項４または５に記載のタンパク質構造最適化方法において、近傍アミノ酸残基群抽出ステップは、抽出した上記近傍アミノ酸残基群の中にシステイン（ＣＹＳ）が含まれている場合には、当該システイン（ＣＹＳ）とジスルフィド結合をしておりかつ上記近傍アミノ酸残基群には含まれない別のシステイン（ＣＹＳ）が存在しているか判定し、当該別のシステイン（ＣＹＳ）が存在する場合には当該別のシステイン（ＣＹＳ）も近傍アミノ酸残基群に加えることを特徴とする。
【００２５】
これは近傍アミノ酸残基群抽出ステップの一例を一層具体的に示すものである。この方法によれば、近傍アミノ酸残基群抽出ステップは、抽出した近傍アミノ酸残基群の中にシステイン（ＣＹＳ）が含まれている場合には、当該システイン（ＣＹＳ）とジスルフィド結合をしておりかつ近傍アミノ酸残基群には含まれない別のシステイン（ＣＹＳ）が存在しているか判定し、当該別のシステイン（ＣＹＳ）が存在する場合には当該別のシステイン（ＣＹＳ）も近傍アミノ酸残基群に加えるので、システイン間のジスルフィド結合を考慮して構造最適化を行うことができるようになる。
【００２６】
また、本発明はプログラムに関するものであり、請求項７に記載のプログラムは、タンパク質の座標データを取得する座標データ取得ステップと、上記タンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基から所定の距離内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出する近傍アミノ酸残基群抽出ステップと、上記近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基を付加するキャップ付加ステップと、上記キャップ付加ステップにより上記キャップ用置換基が付加された上記近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算する電荷計算ステップと、上記キャップ付加ステップにより上記キャップ用置換基が付加された上記近傍アミノ酸残基群について、上記電荷計算ステップにより計算された上記電荷を用いて上記特定のアミノ酸残基の原子座標について構造最適化を実行する構造最適化ステップと、上記構造最適化ステップにて最適化された上記原子座標を、上記タンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換する原子座標置換ステップとを含むタンパク質構造最適化方法をコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００２７】
このプログラムによれば、タンパク質の座標データを取得し、タンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基から所定の距離内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出し、近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基を付加し、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算し、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群について、計算された電荷を用いて特定のアミノ酸残基の原子座標について構造最適化を実行し、最適化された原子座標を、タンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換するので、水素位置の決定やパッキングの問題の解消を、実用的な計算資源を用いて行うことが可能となる。
【００２８】
また、このプログラムによれば、既存の計算プログラムには一切手を加えずに最適化処理の高速化を図ることができる。すなわち、既存の分子軌道計算プログラムや、分子力学計算プログラムの入出力ファイルを用いて、本プログラムを実行することができる。但し、本プログラムのアルゴリズムを既存の分子軌道計算プログラムや、分子力学計算プログラムに組み込むことも可能である。
【００２９】
また、このプログラムによれば、従来のプログラムでは不可能な溶媒効果を考慮に入れたタンパク質の構造最適化が可能になる。
【００３０】
また、請求項８に記載のプログラムは、請求項７に記載のプログラムにおいて、上記キャップ用置換基は、水素原子（Ｈ）またはメチル基（ＣＨ3）であることを特徴とする。
【００３１】
これはキャップ用置換基の一例を一層具体的に示すものである。このプログラムによれば、キャップ用置換基は、水素原子（Ｈ）またはメチル基（ＣＨ3）であるので、近傍アミノ酸残基群について機械的に座標を切り取ったときの切り口が、ラジカルとなり計算に不都合を生じることを容易に解消することができるようになる。
【００３２】
また、請求項９に記載のプログラムは、請求項７または８に記載のプログラムにおいて、近傍アミノ酸残基群抽出ステップは、抽出した上記近傍アミノ酸残基群の中にシステイン（ＣＹＳ）が含まれている場合には、当該システイン（ＣＹＳ）とジスルフィド結合をしておりかつ上記近傍アミノ酸残基群には含まれない別のシステイン（ＣＹＳ）が存在しているか判定し、当該別のシステイン（ＣＹＳ）が存在する場合には当該別のシステイン（ＣＹＳ）も近傍アミノ酸残基群に加えることを特徴とする。
【００３３】
これは近傍アミノ酸残基群抽出ステップの一例を一層具体的に示すものである。このプログラムによれば、近傍アミノ酸残基群抽出ステップは、抽出した近傍アミノ酸残基群の中にシステイン（ＣＹＳ）が含まれている場合には、当該システイン（ＣＹＳ）とジスルフィド結合をしておりかつ近傍アミノ酸残基群には含まれない別のシステイン（ＣＹＳ）が存在しているか判定し、当該別のシステイン（ＣＹＳ）が存在する場合には当該別のシステイン（ＣＹＳ）も近傍アミノ酸残基群に加えるので、システイン間のジスルフィド結合を考慮して構造最適化を行うことができるようになる。
【００３４】
また、本発明は記録媒体に関するものであり、請求項１０に記載の記録媒体は、上記請求項７から９のいずれか一つに記載されたプログラムを記録したことを特徴とする。
【００３５】
この記録媒体によれば、当該記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータに読み取らせて実行することによって、請求項７から９のいずれか一つに記載されたプログラムをコンピュータを利用して実現することができ、これら各方法と同様の効果を得ることができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかるタンパク質構造最適化装置、タンパク質構造最適化方法、プログラム、および、記録媒体の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
特に、以下の実施の形態においては、本発明を、富士通（会社名）の「ＭＯＰＡＣ２０００ ｖｅｒ．１．０」（製品名）に適用した例について説明するが、この場合に限られず、他のプログラムを用いても同様に適用することができる。
【００３７】
[本発明の概要]
以下、本発明の概要について説明し、その後、本発明の構成および処理等について詳細に説明する。図１は本発明の基本原理を示すフローチャートである。
【００３８】
本発明は、概略的に、以下の基本的特徴を有する。まず、本発明は、タンパク質の座標データを取得する（ステップＳＡ−１）。ここで、取得するタンパク質の座標データは、例えば、Ｘ線結晶解析により求めた座標データに既知のモデリングソフト（例えば、Ａｃｃｅｌｒｙｓ Ｉｎｃ．（会社名）の「ＷｅｂＬａｂＶｉｅｗｅｒ Ｐｒｏ ４．２」（製品名）や「Ｉｎｓｉｇｈｔ ＩＩ」（製品名）（ｗｗｗ．ａｃｃｅｌｒｙｓ．ｃｏｍ）、Ｔｒｉｐｏｓ，Ｉｎｃ．（会社名）の「ＳＹＢＹＬ ６．７」（製品名）（ｗｗｗ．ｔｒｉｐｏｓ．ｃｏｍ）、ＣａｍｂｒｉｄｇｅＳｏｆｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（会社名)の「Ｃｈｅｍ３Ｄ ７．０」（製品名）（ｗｗｗ．ｃａｍｓｏｆｔ．ｃｏｍ）など）を用いて水素を付加したものや、また、ＰＤＢ（Ｐｒｏｔｅｉｎ Ｄｅｔａ Ｂａｓｅ）などの既知の蛋白構造データベースに登録された座標データなど、あらゆるタンパク質の座標データを用いてもよい。
【００３９】
そして、本発明は、タンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基ｉから所定の距離（例えば、ｒÅ）内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出する（ステップＳＡ−２）。すなわち、アミノ酸残基ｉに含まれる全原子から所定の距離内に存在する原子を含むアミノ酸残基の群が近傍アミノ酸残基群であり、この近傍アミノ酸残基群に含まれる全原子座標を抽出する。抽出した近傍アミノ酸残基群の中にシステイン（ＣＹＳ）が含まれており、それが別のシステイン（ＣＹＳ）とジスルフィド結合をしている場合には、その別のＣＹＳも近傍アミノ酸残基群に加えてもよい。
【００４０】
ステップＳＡ−２の操作で機械的に座標を切り取った場合、その切り口がラジカルとなり計算に不都合が生じる。これを解消するために、本発明は、近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基（例えば水素原子（Ｈ）またはメチル基（ＣＨ3）を付加する（ステップＳＡ−３）。
【００４１】
そして、本発明は、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算する（ステップＳＡ−４）。電荷計算は、既知のあらゆる電荷計算手法を用いてもよいが、例えば、塩基性アミノ酸残基数から酸性アミノ酸残基数を減算することにより高速に計算することもできる。
【００４２】
そして、本発明は、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群について、電荷を用いて、特定のアミノ酸残基ｉの原子座標について既知の分子軌道計算プログラム（例えば、「ＭＯＰＡＣ２０００ ｖｅｒ．１．０」（製品名）などの半経験的分子軌道計算プログラム）などを用いて構造最適化を実行する（ステップＳＡ−５）。
【００４３】
そして、本発明は、最適化された原子座標を、初期のタンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換する（ステップＳＡ−６）。
【００４４】
そして、本発明は、全てのアミノ酸残基ｉについてステップＳＡ−２からステップＳＡ−６を適用し（１番目のアミノ酸残基から最後のアミノ酸残基までｉをインクリメントしてループ処理を行う。）、全てのアミノ酸残基について最適化を実行する（ステップＳＡ−７）。
【００４５】
そして、本発明は、ステップＳＡ−７において得られた構造データを初期構造として、ステップＳＡ−１からステップＳＡ−７を複数回（ｎ回）実行することにより、更に構造最適化の精度を上げることができる（ステップＳＡ−８）。
【００４６】
［システム構成］
まず、本システムの構成について説明する。図２は、本発明が適用される本システムの構成の一例を示すブロック図であり、該構成のうち本発明に関係する部分のみを概念的に示している。本システムは、概略的に、タンパク質構造最適化装置１００と、タンパク質構造情報等に関する外部データベースやホモロジー検索等の外部プログラム等を提供する外部システム２００とを、ネットワーク３００を介して通信可能に接続して構成されている。
【００４７】
図２においてネットワーク３００は、タンパク質構造最適化装置１００と外部システム２００とを相互に接続する機能を有し、例えば、インターネット等である。
【００４８】
図２において外部システム２００は、ネットワーク３００を介して、タンパク質構造最適化装置１００と相互に接続され、利用者に対してタンパク質構造情報等に関する外部データベースやホモロジー検索やモチーフ検索等の外部プログラムを実行するウェブサイトを提供する機能を有する。
【００４９】
ここで、外部システム２００は、ＷＥＢサーバやＡＳＰサーバ等として構成してもよく、そのハードウェア構成は、一般に市販されるワークステーション、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置およびその付属装置により構成してもよい。また、外部システム２００の各機能は、外部システム２００のハードウェア構成中のＣＰＵ、ディスク装置、メモリ装置、入力装置、出力装置、通信制御装置等およびそれらを制御するプログラム等により実現される。
【００５０】
図２においてタンパク質構造最適化装置１００は、概略的に、タンパク質構造最適化装置１００の全体を統括的に制御するＣＰＵ等の制御部１０２、通信回線等に接続されるルータ等の通信装置（図示せず）に接続される通信制御インターフェース部１０４、入力装置１１２や出力装置１１４に接続される入出力制御インターフェース部１０８、および、各種のデータベースやテーブルなどを格納する記憶部１０６を備えて構成されており、これら各部は任意の通信路を介して通信可能に接続されている。さらに、このタンパク質構造最適化装置１００は、ルータ等の通信装置および専用線等の有線または無線の通信回線を介して、ネットワーク３００に通信可能に接続されている。
【００５１】
記憶部１０６に格納される各種のデータベースやテーブルなど（タンパク質構造情報データベース１０６ａ〜処理結果ファイル１０６ｂ）は、固定ディスク装置等のストレージ手段であり、各種処理に用いる各種のプログラムやテーブルやファイルやデータベースやウェブページ用ファイル等を格納する。
【００５２】
これら記憶部１０６の各構成要素のうち、タンパク質構造情報データベース１０６ａは、タンパク質の立体構造の座標データ等を格納した座標データ格納手段である。タンパク質構造情報データベース１０６ａは、インターネットを経由してアクセスするＰＤＢなどの外部のデータベースであってもよく、また、これらのデータベースをコピーしたり、オリジナルの情報を格納したり、さらに独自のアノテーション情報等を付加したりして作成したインハウスデータベースであってもよい。
【００５３】
また、処理結果ファイル１０６ｂは、タンパク質構造最適化装置１００の制御部１０２の各処理による処理結果に関する情報等を格納する処理結果格納手段である。
【００５４】
また、図２において、通信制御インターフェース部１０４は、タンパク質構造最適化装置１００とネットワーク３００（またはルータ等の通信装置）との間における通信制御を行う。すなわち、通信制御インターフェース部１０４は、他の端末と通信回線を介してデータを通信する機能を有する。
【００５５】
また、図２において、入出力制御インターフェース部１０８は、入力装置１１２や出力装置１１４の制御を行う。ここで、出力装置１１４としては、モニタ（家庭用テレビを含む）の他、スピーカを用いることができる（なお、以下においては出力装置１１４をモニタとして記載する場合がある）。また、入力装置１１２としては、キーボード、マウス、および、マイク等を用いることができる。また、モニタも、マウスと協働してポインティングデバイス機能を実現する。
【００５６】
また、図２において、制御部１０２は、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）等の制御プログラム、各種の処理手順等を規定したプログラム、および所要データを格納するための内部メモリを有し、これらのプログラム等により、種々の処理を実行するための情報処理を行う。制御部１０２は、機能概念的に、座標データ取得部１０２ａ、近傍アミノ酸残基群抽出部１０２ｂ、キャップ付加部１０２ｃ、電荷計算部１０２ｄ、構造最適化部１０２ｅ、および、原子座標置換部１０２ｆを備えて構成されている。
【００５７】
このうち、座標データ取得部１０２ａは、タンパク質の座標データを取得する座標データ取得手段である。また、近傍アミノ酸残基群抽出部１０２ｂは、タンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基から所定の距離内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出する近傍アミノ酸残基群抽出手段である。また、キャップ付加部１０２ｃは、近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基を付加するキャップ付加手段である。また、電荷計算部１０２ｄは、キャップ付加手段により上記キャップ用置換基が付加された上記近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算する電荷計算手段である。また、構造最適化部１０２ｅは、キャップ付加手段により上記キャップ用置換基が付加された上記近傍アミノ酸残基群について、上記電荷計算手段により計算された上記電荷を用いて上記特定のアミノ酸残基の原子座標について構造最適化を実行する構造最適化手段である。また、原子座標置換部１０２ｆは、構造最適化手段にて最適化された上記原子座標を、上記タンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換する原子座標置換手段である。なお、これら各部によって行なわれる処理の詳細については、後述する。
【００５８】
[システムの処理]
次に、このように構成された本実施の形態における本システムの処理の一例について、以下に図３〜図１９を参照して詳細に説明する。
【００５９】
[メイン処理]
まず、メイン処理の詳細について図３を参照して説明する。図３は、本実施形態における本システムのメイン処理の一例を示すフローチャートである。
【００６０】
タンパク質構造最適化装置１００は、座標データ取得部１０２ａの処理により、タンパク質構造情報データベース１０６ａや外部システム２００の外部データベースから所望のタンパク質の座標データを取得する（ステップＳＢ−１）。ここで、取得するタンパク質の座標データは、例えば、Ｘ線結晶解析により求めた座標データに既知のモデリングソフト（例えば、Ａｃｃｅｌｒｙｓ Ｉｎｃ．（会社名）の「ＷｅｂＬａｂ Ｖｉｅｗｅｒ Ｐｒｏ ４．２」（製品名）や「Ｉｎｓｉｇｈｔ ＩＩ」（製品名）（ｗｗｗ．ａｃｃｅｌｒｙｓ．ｃｏｍ）、Ｔｒｉｐｏｓ，Ｉｎｃ．（会社名）の「ＳＹＢＹＬ ６．７」（製品名）（ｗｗｗ．ｔｒｉｐｏｓ．ｃｏｍ）、ＣａｍｂｒｉｄｇｅＳｏｆｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（会社名)の「Ｃｈｅｍ３Ｄ ７．０」（製品名）（ｗｗｗ．ｃａｍｓｏｆｔ．ｃｏｍ）など）を用いて水素を付加したものや、また、ＰＤＢ（Ｐｒｏｔｅｉｎ Ｄｅｔａ Ｂａｓｅ）などの既知の蛋白構造データベースに登録された座標データなど、あらゆるタンパク質の座標データを用いてもよい。
【００６１】
ここで、図４は、タンパク質の座標データの一例を示す図である。図４に示す例では、ＰＤＢ形式の座標データを用いており、また、Ｘ線結晶解析で求めた構造情報に市販のプログラムにより水素を付加している。
【００６２】
再び図３に戻り、タンパク質構造最適化装置１００は、制御部１０２の処理により、処理回数を表すカウンターｎ（初期値は０）に１を加算する（ステップＳＢ−２）。
【００６３】
また、タンパク質構造最適化装置１００は、制御部１０２の処理により、アミノ酸残基番号を表すカウンターｉ（初期値は０）に１を加算する（ステップＳＢ−３）。
【００６４】
そして、タンパク質構造最適化装置１００は、近傍アミノ酸残基群抽出部１０２ｂの処理により、処理対象のタンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基ｉから所定の距離（例えば、ｒÅ）内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出する（ステップＳＢ−４）。すなわち、アミノ酸残基ｉに含まれる全ての原子ｊから所定の距離内に存在する原子ｌを含むアミノ酸残基ｋ（ｋ≠ｉ）の群が近傍アミノ酸残基群であり、この近傍アミノ酸残基群に含まれる全ての原子ｍの座標を抽出する。
【００６５】
また、抽出した近傍アミノ酸残基群の中にシステイン（ＣＹＳ）が含まれており、それが別のシステイン（ＣＹＳ）とジスルフィド結合をしている場合には、その別のシステイン（ＣＹＳ）も近傍アミノ酸残基群に加えてもよい。すなわち、近傍アミノ酸残基群抽出部１０２ｂは、抽出した近傍アミノ酸残基群の中にシステイン（ＣＹＳ）が含まれている場合には、当該システイン（ＣＹＳ）とジスルフィド結合をしている近傍アミノ酸残基群には含まれない別のシステイン（ＣＹＳ）が存在しているか判定し、当該別のシステイン（ＣＹＳ）が存在する場合には当該別のシステイン（ＣＹＳ）も近傍アミノ酸残基群に加える。
【００６６】
ステップＳＢ−４の操作で機械的に座標を切り取った場合、その切り口がラジカルとなり計算に不都合が生じる。これを解消するために、タンパク質構造最適化装置１００は、キャップ付加部１０２ｃの処理により、近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基（例えば水素原子（Ｈ）またはメチル基（ＣＨ3））を付加する（ステップＳＢ−３）。キャップ用置換基として水素、メチル基のどちらを用いるかは、ユーザが目的に応じて判断する。
【００６７】
ここで、キャップ付加部１０２ｃのよるキャップ付加処理の詳細について図５から図１２を参照して説明する。
【００６８】
図５は、本実施形態における切り口に水素原子を付加する場合のキャップ付加処理の一例を示すフローチャートである。また、図６は、もとの座標とキャップ置換基を付加した後の座標の概念を示す図である。図５は、図６に示すもとの座標（左側）に対してアミノ基側へキャップ付加（右側）をする際の処理の一例を示す。近傍アミノ酸残基群の任意の残基をｊとする。
【００６９】
キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊがＮ端アミノ酸である場合（ステップＳＣ−１）、アミノ酸残基ｊのアミノ側は切り口になっていないので、キャップ付加は不要とする（ステップＳＣ−２）。
【００７０】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊがＮ端アミノ酸でない場合には（ステップＳＣ−１）、隣のアミノ酸残基ｊ−１も抽出されたアミノ酸残基群に含まれる場合（ステップＳＣ−３）、残基ｊのアミノ側は切り口になっていないので、キャップ付加は不要とする（ステップＳＣ−４）。
【００７１】
一方、キャップ付加部１０２ｃは、隣のアミノ酸残基ｊ−１も抽出されたアミノ酸残基群に含まれない場合には（ステップＳＣ−３）、アミノ酸残基ｊ−１の主鎖カルボニル炭素をＣj-1とする（ステップＳＣ−５）。
【００７２】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊの主鎖アミノ基窒素をＮjとする（ステップＳＣ−６）。
【００７３】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、付加するキャップ水素原子ＨCAPNの位置を以下の数式（１）に従って決める（ステップＳＣ−７）。
【数１】
【００７４】
次に図７は、本実施形態における切り口に水素原子を付加する場合のキャップ付加処理の一例を示すフローチャートである。また、図８は、もとの座標とキャップ置換基を付加した後の座標の概念を示す図である。図７は、図８に示すもとの座標（左側）に対してカルボキシル基側へキャップ付加（右側）をする際の処理の一例を示す。近傍アミノ酸残基群の任意の残基をｊとする。
【００７５】
キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊがＣ端アミノ酸である場合（ステップＳＤ−１）、アミノ酸残基ｊのアミノ側は切り口になっていないので、キャップ付加は不要とする（ステップＳＤ−２）。
【００７６】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊがＣ端アミノ酸でない場合には（ステップＳＤ−１）、隣のアミノ酸残基ｊ＋１も抽出されたアミノ酸残基群に含まれる場合（ステップＳＤ−３）、残基ｊのアミノ側は切り口になっていないので、キャップ付加は不要とする（ステップＳＤ−４）。
【００７７】
一方、キャップ付加部１０２ｃは、隣のアミノ酸残基ｊ＋１も抽出されたアミノ酸残基群に含まれない場合には（ステップＳＤ−３）、アミノ酸残基ｊ＋１の主鎖アミノ基窒素をＮj+1とする（ステップＳＤ−５）。
【００７８】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊの主鎖カルボニル炭素をＣjとする（ステップＳＤ−６）。
【００７９】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、付加するキャップ水素原子ＨCAPCの位置を以下の数式（２）に従って決める（ステップＳＤ−７）。
【数２】
【００８０】
次に図９は、本実施形態における切り口にメチル基を付加する場合のキャップ付加処理の一例を示すフローチャートである。また、図１０は、もとの座標とキャップ置換基を付加した後の座標の概念を示す図である。図９は、図１０に示すもとの座標（左側）に対してアミノ基側へキャップ付加（右側）をする際の処理の一例を示す。近傍アミノ酸残基群の任意の残基をｊとする。
【００８１】
キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊがＮ端アミノ酸である場合（ステップＳＥ−１）、アミノ酸残基ｊのアミノ側は切り口になっていないので、キャップ付加は不要とする（ステップＳＥ−２）。
【００８２】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊがＮ端アミノ酸でない場合には（ステップＳＥ−１）、隣のアミノ酸残基ｊ−１も抽出されたアミノ酸残基群に含まれる場合（ステップＳＥ−３）、残基ｊのアミノ側は切り口になっていないので、キャップ付加は不要とする（ステップＳＥ−４）。
【００８３】
一方、キャップ付加部１０２ｃは、隣のアミノ酸残基ｊ−１も抽出されたアミノ酸残基群に含まれない場合には（ステップＳＥ−３）、アミノ酸残基ｊ−１の主鎖カルボニル炭素をＣj-1とする（ステップＳＥ−５）。
【００８４】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊの主鎖アミノ基窒素をＮjとする（ステップＳＥ−６）。
【００８５】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊの主鎖α炭素をＣＡjとする（ステップＳＥ−７）。
【００８６】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、付加するキャップメチル基炭素ＣCAPNの位置を以下の数式（３）に従って決める（ステップＳＥ−８）。
【数３】
【００８７】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、付加する３つのキャップメチル基水素ＨCAPNk（ｋ＝１，２，３）の位置を以下の条件（数式（４））で決める（ステップＳＥ−９）。
【数４】
【００８８】
次に図１１は、本実施形態における切り口にメチル基を付加する場合のキャップ付加処理の一例を示すフローチャートである。また、図１２は、もとの座標とキャップ置換基を付加した後の座標の概念を示す図である。図１１は、図１２に示すもとの座標（左側）に対してカルボキシル基側へキャップ付加（右側）をする際の処理の一例を示す。近傍アミノ酸残基群の任意の残基をｊとする。
【００８９】
キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊがＣ端アミノ酸である場合（ステップＳＦ−１）、アミノ酸残基ｊのアミノ側は切り口になっていないので、キャップ付加は不要とする（ステップＳＦ−２）。
【００９０】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊがＣ端アミノ酸でない場合には（ステップＳＦ−１）、隣のアミノ酸残基ｊ＋１も抽出されたアミノ酸残基群に含まれる場合（ステップＳＦ−３）、残基ｊのアミノ側は切り口になっていないので、キャップ付加は不要とする（ステップＳＦ−４）。
【００９１】
一方、キャップ付加部１０２ｃは、隣のアミノ酸残基ｊ＋１も抽出されたアミノ酸残基群に含まれない場合には（ステップＳＦ−３）、アミノ酸残基ｊ＋１の主鎖アミノ基窒素をＮj+1とする（ステップＳＦ−５）。
【００９２】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊの主鎖カルボニル炭素をＣjとする（ステップＳＦ−６）。
【００９３】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊの主鎖α炭素をＣＡjとする（ステップＳＦ−７）。
【００９４】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、付加するキャップメチル基炭素ＣCAPCの位置を以下の数式（５）に従って決める（ステップＳＦ−８）。
【数５】
【００９５】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、付加する３つのキャップメチル基水素ＨCAPCk（ｋ＝１，２，３）の位置を以下の条件（数式（６））で決める（ステップＳＦ−９）。
【数６】
ここで、数式（１）〜数式（６）において、Ｒ、Ａ、Ｄは、それぞれ、標準結合長、標準結合角、標準二面角であり、本条件で記した数値はその一例である（平野恒夫・田辺和俊編「分子軌道法ＭＯＰＡＣガイドブック（３訂版）」海文堂出版，１９９９ 参照。）。
これにて、キャップ付加処理が終了する。
【００９６】
再び図３に戻り、タンパク質構造最適化装置１００は、全ての近傍アミノ酸残基群の切口にキャップを付加すると、ステップＳＢ−４で抽出したアミノ酸残基群全体の電荷計算を行う。すなわち、ＭＯＰＡＣ２０００に限らず、一般に分子軌道計算を行う際には対象となる系全体の電荷を入力データとして与えるため、タンパク質構造最適化装置１００は、電荷計算部１０２ｄの処理により、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算する（ステップＳＢ−６）。
【００９７】
電荷計算は、既知のあらゆる電荷計算手法を用いてもよいが、例えば、以下の数式（７）を用いて、塩基性アミノ酸残基数から酸性アミノ酸残基数を減算することにより高速に計算することもできる。
（全体電荷）＝（塩基性アミノ酸残基数）−（酸性アミノ残基数） （数７）
ここで、塩基性アミノ酸残基は、ＡＲＧ、ＬＹＳなどであり、酸性アミノ酸残基は、ＡＳＰ、ＧＬＵなどである。アミノ酸種別は、図１３に示すように、入力データとして与えるＰＤＢ形式データの三文字表記（１８−２０カラムの文字）で判別する（「ＰＤＢ Ｆｉｌｅ Ｆｏｒｍａｔ Ｃｏｎｔｅｎｔｓ Ｇｕｉｄｅ Ｖｅｒｓｉｏｎ ２．２」（２０ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ １９９６）参照）。また、中性アミノ酸残基（例えば、ＡＲＧ、ＬＹＳ、ＡＳＰ、ＧＬＵなど）や、プロトン化したＨＩＳ（電荷＋１）の表記法は、分子動力学計算プログラム「Ａｍｂｅｒ ７」（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，２００２．）の様式に従いＡＲＮ，ＬＹＮ，ＡＳＨ，ＧＬＨ，ＨＩＰとして、入力ＰＤＢデータで記述し判別する。また、非天然のアミノ酸残基や、ユーザ定義のアミノ酸、リガンド分子の電荷も個別に設定できるようにしておく。例えば、リン酸化したＴＨＲをＴＰＯと定義し、このアミノ酸に対しては−２の電荷を与えるようにプログラムで設定しておく。
【００９８】
そして、タンパク質構造最適化装置１００は、構造最適化部１０２ｅの処理により、ＭＯＰＡＣ２０００の入力ファイルを作成するために、アミノ酸残基ｉを構成する各原子に対して最適化処理対象の原子であることを表す「最適化フラグ」を設定する（ステップＳＣ−７）。なお、ＭＯＰＡＣ２０００に限らず、一般に計算化学的手法（分子軌道法、分子力学法など）で構造最適化を行う際には、最適な位置に動かす原子と、座標を固定して位置を動かさない原子を設定し、部分構造最適化を行うこともできる。ここでは、最適な位置に動かす原子を入力データとして判別できるように設定する事を、ＭＯＰＡＣ２０００の慣例に倣って、「最適化フラグを設定する」と呼ぶことにする（「ＭＯＰＡＣ２０００ Ｍａｎｕａｌ」Ｆｕｊｉｔｕ Ｌｉｍｉｔｅｄ， Ｔｏｋｙｏ，２０００ 参照）。
【００９９】
具体的には、構造最適化部１０２ｅは、水素の構造最適化を行う場合、アミノ酸残基ｉの水素原子に最適化フラグを設定する。図１４は、アミノ酸残基ｉの水素原子に最適化フラグを設定する場合の一例を示す図である。図１４は、ＰＤＢコードが「１ＣＢＩ」のタンパク質に対して水素付加を行った入力ＰＤＢデータに対して、特定アミノ酸残基が５０番目のアミノ酸残基（ｉ＝５０）であり、距離が３．０オングストローム（ｒ＝３．０Å）のときに抽出される近傍アミノ酸残基群を示している。また、上述の方法により近傍アミノ酸残基群の切り口にキャップ置換基（水素原子）の付加も行っている。また、上述のステップＳＢ−６では、ここに示した全原子を考慮して電荷計算を行っている。図１４において、太線と球で表示されている部分が計算の中心残基であるＰＨＥ５０（ｉ＝５０のアミノ酸残基であるフェニルアラニン）である。このＰＨＥ５０の中で最適化フラグを設定する水素原子を球で示している。
【０１００】
また、構造最適化部１０２ｅは、側鎖の構造最適化を行う場合、アミノ酸残基ｉの水素と側鎖原子に最適化フラグを設定する。図１５は、アミノ酸残基ｉの水素と側鎖原子に最適化フラグを設定する場合の一例を示す図である。図１５は、ＰＤＢコードが「１ＣＢＩ」のタンパク質に対して水素付加を行った入力ＰＤＢデータに対して、特定アミノ酸残基が５０番目のアミノ酸残基（ｉ＝５０）であり、距離が３．０オングストローム（ｒ＝３．０Å）のときに抽出される近傍アミノ酸残基群を示している。また、上述の方法により近傍アミノ酸残基群の切り口にキャップ置換基（水素原子）の付加も行っている。また、上述のステップＳＢ−６では、ここに示した全原子を考慮して電荷計算を行っている。図１５において、太線と球で表示されている部分が計算の中心残基であるＰＨＥ５０（ｉ＝５０のアミノ酸残基であるフェニルアラニン）である。このＰＨＥ５０の中で最適化フラグを設定する水素原子と側鎖原子を球で示している。
【０１０１】
また、構造最適化部１０２ｅは、全原子の構造最適化を行う場合、アミノ酸残基ｉの全原子に最適化フラグを設定する。ただし、ＭＯＰＡＣ２０００を含め現状の分子軌道理論では、主鎖構造の２次構造を再現することが困難なため、主鎖原子の最適化は一般には行わないことが多いが２次構造を再現できる精度の高い理論が構築されれば、全構造最適化も有効となる。
【０１０２】
再び図３に戻り、タンパク質構造最適化装置１００は、構造最適化部１０２ｅの処理により、ＭＯＰＡＣ２０００の入力ファイルを作成する（ステップＳＢ−８）。図１６は、ＭＯＰＡＣ２０００の入力ファイルの一例を示す図である。図１６に示すように、電荷、近傍アミノ酸残基群の座標データ、最適化フラグなどを含む入力ファイルを作成する。
【０１０３】
そして、タンパク質構造最適化装置１００は、構造最適化部１０２ｅの処理により、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群について、電荷を用いて、特定のアミノ酸残基の原子座標についてＭＯＰＡＣ２０００を用いて構造最適化を実行する（ステップＳＢ−９）。ここで、図１７は、ＭＯＰＡＣ２０００による構造最適化処理の結果を示す出力ファイルの一例を示す図である。図１７に示すように、構造最適化後の座標データが出力される。なお、図１７において、「＊」の付いた座標が最適化された部分を示している。
【０１０４】
そして、タンパク質構造最適化装置１００は、原子座標置換部１０２ｆの処理により、最適化された原子座標を、初期のタンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換する（ステップＳＢ−１０）。すなわち、原子座標置換部１０２ｆは、ＭＯＰＡＣ２０００の処理結果（出力ファイル）の「＊」の付いた座標が最適化部分であるため、この部分を抜き出しステップＳＢ−１で用意した座標データの対応する座標部分と置き換える。
【０１０５】
そして、タンパク質構造最適化装置１００は、全てのアミノ酸残基ｉについてステップＳＢ−３からステップＳＢ−１０を適用し（１番目のアミノ酸残基から最後のアミノ酸残基までｉをインクリメントしてループ処理を行う。）、全てのアミノ酸残基について最適化を実行する（ステップＳＢ−１１）。
【０１０６】
そして、タンパク質構造最適化装置１００は、ステップＳＢ−１０において得られた構造データを初期構造として、ステップＳＢ−２からステップＳＢ−７を複数回（ｎ回）実行することにより、更に構造最適化の精度を上げることができる（ステップＳＢ−１２）。すなわち、ステップＳＢ−４からステップＳＢ−１０の処理をＮ残基からＣ端残基まで行うことで、すべてのアミノ酸残基について部分構造が最適化されたＰＤＢ形式の座標データが得られる。この座標データを入力として、座標は固定して（すべての原子に対して最適化フラグを設定せずに）ＭＯＰＡＣでエネルギー計算を行う。また、上述のステップＳＢ−４からステップＳＢ−１０の操作を含むループ処理は、例えばスクリプトプログラムを用いて実行してもよい。
これにて、メイン処理が終了する。
【０１０７】
[本発明による計算例]
次に、本発明による計算例の詳細について図１８および図１９などを参照して説明する。本計算例では、サンプル分子として「Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｐｅａｒ Ｓ３−Ｒｉｂｏｎｕｃｌｅａｓｅ」（ＰＤＢ ＩＤ：１ＩＱＱＡ）を用いて、特定アミノ酸残基を２００番目のアミノ酸残基（３２６２原子 Ｃ１０４７Ｈ１６１９ Ｎ２８５ Ｏ３００ Ｓ１１）をした場合である。また、本計算例で使用した計算機の機種名は、ＣＯＭＰＡＱ（会社名）の「ＡｌｐｈａＳｅｒｖｅｒ ＥＳ４０（ＣＰＵ Ａｌｐｈａ ２１２６４ ８３３ＭＨｚ）」（製品名）である。図１８は、従来の最適化手法（ＭＯＺＹＭＥ法＋ＢＦＧＳ法）と本発明の手法により水素構造を最適化した場合の計算結果を示す図である。また、図１９は、従来の最適化手法（ＭＯＺＹＭＥ法＋ＢＦＧＳ法）と本発明の手法により側鎖構造を最適化した場合の計算結果を示す図である。図１８および図１９において、縦軸は、生成熱Ｈｅａｔ ｏｆ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ（ｋｃａｌ ｍｏｌ-1）であり、横軸はＣＰＵ時間（秒）を示している。また、初期構造のＨｅａｔ ｏｆ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎの値は、−１０４４．５３５７１ｋｃａｌ・ｍｏｌ-1である。
【０１０８】
本計算例について計算時間とエネルギー（生成熱）の関係をみると、本発明の手法では、計算時間に対してエネルギーの収束が速く、全体のループを３〜５回繰り返すこと（ｎ＝３〜５）で、エネルギーが収束することがわかる。また、計算精度よりも計算時間を優先する場合には、ｒの値を小さめにとり、その逆に計算精度を求める場合には、ｒの値を大きめにとることもできる。
【０１０９】
また、本計算例について必要となる最大メモリ容量をみると、従来の手法では、水素構造最適化を行う場合は、５０６ＭＢ（メガバイト）であり、側鎖構造最適化を行う場合は、６６７ＭＢであった。一方、本発明の手法では、水素構造最適化を行う場合は、３０１ＭＢであり、側鎖構造最適化を行う場合は、３０１ＭＢであった。このように、本発明の手法ではメモリの少量化も図ることができた。
【０１１０】
[他の実施の形態]
さて、これまで本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上述した実施の形態以外にも、上記特許請求の範囲に記載した技術的思想の範囲内において種々の異なる実施の形態にて実施されてよいものである。
【０１１１】
例えば、タンパク質構造最適化装置１００がスタンドアローンの形態で処理を行う場合を一例に説明したが、タンパク質構造最適化装置１００とは別筐体で構成されるクライアント端末からの要求に応じて処理を行い、その処理結果を当該クライアント端末に返却するように構成してもよい。
【０１１２】
また、上述した実施の形態では、半経験的分子軌道プログラムであるＭＯＰＡＣ２０００を用いる場合を一例として説明したが、他の既知の計算手法やプログラムを用いてもよい。例えば、分子軌道計算プログラムである「Ｇａｕｓｓｉａｎ ９８ Ｒｅｖ． Ａ．１１．３」（製品名）（Ｇａｕｓｓｉａｎ， Ｉｎｃ．（会社名），Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇ ＰＡ， ２００２）、「Ｇａｍｅｓｓ Ｊｕｎｅ ２０ ２００２ Ｒ２」（製品名）（Ｉｏｗａ Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， ２００２）などのプログラムに置き換えれば、アブイニシオ（ａｂ ｉｎｉｔｉｏ）分子軌道法による構造最適化が可能になる。また、「Ａｍｂｅｒ ７」（製品名）（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ， ２００２）や 、「Ｔｉｎｋｅｒ ３．７」（製品名）（Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ，２００１）などに置き換えれば、分子力学計算の高速化も可能である。これらのプログラムの入出力データは、ＭＯＰＡＣ２０００の入力ファイルと座標パラメータの並び方などが異なるだけであるため、「Ｂａｂｅｌ ｖｅｒｓｉｏｎ １．６」（製品名）（Ｐａｔ Ｗａｌｔｅｒｓ ａｎｄ Ｍａｔｔ Ｓｔａｈｌ， １９９６）等のプログラムを用いて容易にＭＯＰＡＣ２０００の入出力データと変換することできる。ＭＯＰＡＣ２０００は半経験的分子軌道プログラムと呼ばれ半定量的な結果が得られる。一方、ＧａｕｓｓｉａｎやＧａｍｅｓｓなどは、ａｂｉｎｉｔｉｏ分子軌道計算プログラムと呼ばれ半経験的な方法よりも定量的な結果が得られるが、計算時間は半経験的な方法より格段にかかるのが一般的である。
【０１１３】
また、実施形態において説明した各処理のうち、自動的に行なわれるものとして説明した処理の全部または一部を手動的に行うこともでき、あるいは、手動的に行なわれるものとして説明した処理の全部または一部を公知の方法で自動的に行うこともできる。
この他、上記文書中や図面中で示した処理手順、制御手順、具体的名称、各種の登録データや検索条件等のパラメータを含む情報、画面例、データベース構成については、特記する場合を除いて任意に変更することができる。
【０１１４】
また、タンパク質構造最適化装置１００に関して、図示の各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。
例えば、タンパク質構造最適化装置１００の各部または各装置が備える処理機能、特に制御部１０２にて行なわれる各処理機能については、その全部または任意の一部を、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）および当該ＣＰＵにて解釈実行されるプログラムにて実現することができ、あるいは、ワイヤードロジックによるハードウェアとして実現することも可能である。なお、プログラムは、後述する記録媒体に記録されており、必要に応じてタンパク質構造最適化装置１００に機械的に読み取られる。
【０１１５】
すなわち、ＲＯＭまたはＨＤなどの記憶部１０６などには、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）と協働してＣＰＵに命令を与え、各種処理を行うためのコンピュータプログラムが記録されている。このコンピュータプログラムは、ＲＡＭ等にロードされることによって実行され、ＣＰＵと協働して制御部１０２を構成する。また、このコンピュータプログラムは、タンパク質構造最適化装置１００に対して任意のネットワーク３００を介して接続されたアプリケーションプログラムサーバに記録されてもよく、必要に応じてその全部または一部をダウンロードすることも可能である。
【０１１６】
また、本発明にかかるプログラムを、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納することもできる。ここで、この「記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ等の任意の「可搬用の物理媒体」や、各種コンピュータシステムに内蔵されるＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤ等の任意の「固定用の物理媒体」、あるいは、ＬＡＮ、ＷＡＮ、インターネットに代表されるネットワークを介してプログラムを送信する場合の通信回線や搬送波のように、短期にプログラムを保持する「通信媒体」を含むものとする。
【０１１７】
また、「プログラム」とは、任意の言語や記述方法にて記述されたデータ処理方法であり、ソースコードやバイナリコード等の形式を問わない。なお、「プログラム」は必ずしも単一的に構成されるものに限られず、複数のモジュールやライブラリとして分散構成されるものや、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）に代表される別個のプログラムと協働してその機能を達成するものをも含む。なお、実施の形態に示した各装置において記録媒体を読み取るための具体的な構成、読み取り手順、あるいは、読み取り後のインストール手順等については、周知の構成や手順を用いることができる。
【０１１８】
また、タンパク質構造最適化装置１００は、さらなる構成要素として、マウス等の各種ポインティングデバイスやキーボードやイメージスキャナやデジタイザ等から成る入力装置（図示せず）、入力データのモニタに用いる表示装置（図示せず）、システムクロックを発生させるクロック発生部（図示せず）、および、各種処理結果その他のデータを出力するプリンタ等の出力装置（図示せず）を備えてもよく、また、入力装置、表示装置および出力装置は、それぞれ入出力インターフェースを介して制御部１０２に接続されてもよい。
【０１１９】
記憶部１０６に格納される各種のデータベース等（タンパク質構造情報データベース１０６ａ〜処理結果ファイル１０６ｂ）は、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ装置、ハードディスク等の固定ディスク装置、フレキシブルディスク、光ディスク等のストレージ手段であり、各種処理やウェブサイト提供に用いる各種のプログラムやテーブルやファイルやデータベースやウェブページ用ファイル等を格納する。
【０１２０】
また、タンパク質構造最適化装置１００は、既知のパーソナルコンピュータ、ワークステーション等の情報処理端末等の情報処理装置にプリンタやモニタやイメージスキャナ等の周辺装置を接続し、該情報処理装置に本発明の方法を実現させるソフトウェア（プログラム、データ等を含む）を実装することにより実現してもよい。
【０１２１】
さらに、タンパク質構造最適化装置１００の分散・統合の具体的形態は図示のものに限られず、その全部または一部を、各種の負荷等に応じた任意の単位で、機能的または物理的に分散・統合して構成することができる。例えば、各データベースを独立したデータベース装置として独立に構成してもよく、また、処理の一部をＣＧＩ（Ｃｏｍｍｏｎ Ｇａｔｅｗａｙ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を用いて実現してもよい。
【０１２２】
また、ネットワーク３００は、タンパク質構造最適化装置１００と外部システム２００とを相互に接続する機能を有し、例えば、インターネットや、イントラネットや、ＬＡＮ（有線／無線の双方を含む）や、ＶＡＮや、パソコン通信網や、公衆電話網（アナログ／デジタルの双方を含む）や、専用回線網（アナログ／デジタルの双方を含む）や、ＣＡＴＶ網や、ＩＭＴ２０００方式、ＧＳＭ方式またはＰＤＣ／ＰＤＣ―Ｐ方式等の携帯回線交換網／携帯パケット交換網や、無線呼出網や、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ等の局所無線網や、ＰＨＳ網や、ＣＳ、ＢＳまたはＩＳＤＢ等の衛星通信網等のうちいずれかを含んでもよい。すなわち、本システムは、有線・無線を問わず任意のネットワークを介して、各種データを送受信することができる。
【０１２３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、タンパク質の座標データを取得し、タンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基から所定の距離内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出し、近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基を付加し、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算し、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群について、計算された電荷を用いて特定のアミノ酸残基の原子座標について構造最適化を実行し、最適化された原子座標を、タンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換するので、水素位置の決定やパッキングの問題の解消を、実用的な計算資源を用いて行うことが可能となるタンパク質構造最適化装置、タンパク質構造最適化方法、プログラム、および、記録媒体を提供することができる。
【０１２４】
また、本発明によれば、既存の計算プログラムには一切手を加えずに最適化処理の高速化を図ることができるタンパク質構造最適化装置、タンパク質構造最適化方法、プログラム、および、記録媒体を提供することができる。すなわち、既存の分子軌道計算プログラムや、分子力学計算プログラムの入出力ファイルを用いて、本装置を実行することができる。但し、本装置のアルゴリズムを既存の分子軌道計算プログラムや、分子力学計算プログラムに組み込むことも可能である。
【０１２５】
また、本発明によれば、従来の方法では不可能な溶媒効果を考慮に入れたタンパク質の構造最適化が可能になるタンパク質構造最適化装置、タンパク質構造最適化方法、プログラム、および、記録媒体を提供することができる。
【０１２６】
また、本発明によれば、キャップ用置換基は、水素原子（Ｈ）またはメチル基（ＣＨ3）であるので、近傍アミノ酸残基群について機械的に座標を切り取ったときの切り口が、ラジカルとなり計算に不都合を生じることを容易に解消することができるタンパク質構造最適化装置、タンパク質構造最適化方法、プログラム、および、記録媒体を提供することができる。
【０１２７】
さらに、本発明によれば、抽出した近傍アミノ酸残基群の中にシステイン（ＣＹＳ）が含まれている場合には、当該システイン（ＣＹＳ）とジスルフィド結合をしておりかつ近傍アミノ酸残基群には含まれない別のシステイン（ＣＹＳ）が存在しているか判定し、当該別のシステイン（ＣＹＳ）が存在する場合には当該別のシステイン（ＣＹＳ）も近傍アミノ酸残基群に加えるので、システイン間のジスルフィド結合を考慮して構造最適化を行うことができるタンパク質構造最適化装置、タンパク質構造最適化方法、プログラム、および、記録媒体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本原理を示すフローチャートである。
【図２】本発明が適用される本システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図３】本実施形態における本システムのメイン処理の一例を示すフローチャートである。
【図４】タンパク質の座標データの一例を示す図である。
【図５】本実施形態における切り口に水素原子を付加する場合のキャップ付加処理の一例を示すフローチャートである。
【図６】もとの座標とキャップ置換基を付加した後の座標の概念を示す図である。
【図７】本実施形態における切り口に水素原子を付加する場合のキャップ付加処理の一例を示すフローチャートである。
【図８】もとの座標とキャップ置換基を付加した後の座標の概念を示す図である。
【図９】本実施形態における切り口にメチル基を付加する場合のキャップ付加処理の一例を示すフローチャートである。
【図１０】もとの座標とキャップ置換基を付加した後の座標の概念を示す図である。
【図１１】本実施形態における切り口にメチル基を付加する場合のキャップ付加処理の一例を示すフローチャートである。
【図１２】もとの座標とキャップ置換基を付加した後の座標の概念を示す図である。
【図１３】ＰＤＢ形式データの三文字表記（１８−２０カラムの文字）でアミノ酸種別を判別する場合の概念を説明する図である。
【図１４】アミノ酸残基ｉの水素原子に最適化フラグを設定する場合の一例を示す図である。
【図１５】アミノ酸残基ｉの水素と側鎖原子に最適化フラグを設定する場合の一例を示す図である。
【図１６】ＭＯＰＡＣ２０００の入力ファイルの一例を示す図である。
【図１７】ＭＯＰＡＣ２０００による構造最適化処理の結果を示す出力ファイルの一例を示す図である。
【図１８】従来の最適化手法（ＭＯＺＹＭＥ法＋ＢＦＧＳ法）と本発明の手法により水素構造を最適化した場合の計算結果を示す図である。
【図１９】従来の最適化手法（ＭＯＺＹＭＥ法＋ＢＦＧＳ法）と本発明の手法により側鎖構造を最適化した場合の計算結果を示す図である。
【符号の説明】
１００ タンパク質構造最適化装置
１０２ 制御部
１０２ａ 座標データ取得部
１０２ｂ 近傍アミノ酸残基群抽出部
１０２ｃ キャップ付加部
１０２ｄ 電荷計算部
１０２ｅ 構造最適化部
１０２ｆ 原子座標置換部
１０４ 通信制御インターフェース部
１０６ 記憶部
１０６ａ タンパク質構造情報データベース
１０６ｂ 処理結果ファイル
１０８ 入出力制御インターフェース部
１１２ 入力装置
１１４ 出力装置
２００ 外部システム
３００ ネットワーク
【発明の属する技術分野】
本発明は、タンパク質構造最適化装置、タンパク質構造最適化方法、プログラム、および、記録媒体に関し、特に、蛋白質の構造を分割しながら所望の原子座標の最適化を行うことのできるタンパク質構造最適化装置、タンパク質構造最適化方法、プログラム、および、記録媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
タンパク質の立体構造を基にしたドラッグデザインを行う際には、一般的に結晶構造が出発構造となる場合が多いが（例えば、非特許文献１参照。）、これには２つの問題がある。ひとつは、Ｘ線結晶回折では一般的には水素位置が決められないことである（例えば、非特許文献２参照。）。欠落している水素は、モデリングソフト（例えば、Ａｃｃｅｌｒｙｓ Ｉｎｃ．（会社名）の「ＷｅｂＬａｂ Ｖｉｅｗｅｒ Ｐｒｏ ４．２」（製品名）や「Ｉｎｓｉｇｈｔ ＩＩ」（製品名）（ｗｗｗ．ａｃｃｅｌｒｙｓ．ｃｏｍ）、Ｔｒｉｐｏｓ，Ｉｎｃ．（会社名）の「ＳＹＢＹＬ ６．７」（製品名）（ｗｗｗ．ｔｒｉｐｏｓ．ｃｏｍ）、ＣａｍｂｒｉｄｇｅＳｏｆｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（会社名)の「Ｃｈｅｍ３Ｄ ７．０」（製品名）（ｗｗｗ．ｃａｍｓｏｆｔ．ｃｏｍ）など）を用いて機械的に付加することはできるが、エネルギー的に安定となる配向となるわけではない。もう一つの問題は、結晶構造中では分子がパッキングされるために、いわば「干物」のような状態となっており、その構造が必ずしも生体中で機能している構造を反映しているとは限らないことである。「生身の状態」に近づけるためには、少なくとも側鎖部分をリラックスさせる必要がある。そのため、局所的な原子構造の安定化のために、構造最適化が不可欠となる（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
また、タンパク質の電子状態を計算する手法には、例えば、半経験的分子軌道計算プログラムである「ＭＯＰＡＣ２０００ ｖｅｒ．１．０」（製品名）（Ｆｕｊｉｔｕ Ｌｉｍｉｔｅｄ（会社名） Ｔｏｋｙｏ，２０００）に実装されている「ＭＯＺＹＭＥ法」（例えば、非特許文献３参照。）などがある。この方法を用いると、２万原子程度、１０００残基のタンパク質の実用的なレベルで計算できる。ただし、これは「ＥＦ（Ｅｉｇｅｎｖｅｃｔｏｒ Ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ）法」（例えば、非特許文献４参照。）や「ＢＦＧＳ（Ｂｒｏｙｄｅｎ−Ｆｌｅｔｃｈｅｒ−Ｇｏｌｄｆａｒｂ−Ｓｈａｎｎｏ）法」（例えば、非特許文献５−８参照。）などの構造最適化を行わない場合である。ＭＯＰＡＣ２０００では通常、低分子に対しては信頼性の高いＥＦ法が用いられ、高分子に対しては収束が速く必要メモリの少量化が図れるＢＦＧＳ法が用いられる。
【０００４】
また、生体分子の計算においては溶媒効果を考慮することが重要である（例えば、非特許文献１および非特許文献９参照。）。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｈ．−Ｄ．ヘルツェ，Ｇ．フォルカース著，江崎俊之訳，「分子モデリング」，地人書館，１９９８年
【非特許文献２】
平山令明著，「生命科学のための結晶解析入門」，丸善株式会社， １９９６年
【非特許文献３】
Ｊ．Ｊ．Ｐ．Ｓｔｅｗａｒｔ，Ｉｎｔ．Ｊ．Ｑｕａｎｔ．Ｃｈｅｍ．， ５８，１３３，１９９６．
【非特許文献４】
Ｊ．Ｂａｋｅｒ，Ｊ．Ｃｏｍｐ．Ｃｈｅｍ．，７，３８５，１９８６．
【非特許文献５】
Ｃ．Ｇ．Ｂｒｏｙｄｅｎ，Ｃｏｍｐｕｔｒ Ｊｏｕｒｎａｌ，１３，３１７，１９７０．
【非特許文献６】
Ｒ．Ｆｌｅｔｃｈｅｒ，Ｊ．Ｉｎｓｔ．Ｍａｔｈ．Ａｐｐｌ．，６，２２２，１９７０．
【非特許文献７】
Ｄ．Ｇｏｌｄｆａｒｂ，Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ，２４，２３，１９７０．
【非特許文献８】
Ｄ．Ｆ．Ｓｈａｎｎｏ，Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ，２４，６４７，１９７０．
【非特許文献９】
櫻井 実，猪飼 篤編，「生物工学基礎コース 計算機化学入門」，丸善株式会社，１９９９
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、蛋白質の全原子について上述したいずれかの手法により構造最適化を行う際の実用的な最適化計算は、水素原子だけ最適化する場合には８００残基程度、側鎖を最適化する場合には５００残基程度が限度となるというシステム構造上の問題点を有していた。
【０００７】
ここで、本問題点は近傍に位置する原子の立体障害などが主要因であるため、何も全原子を一度に計算に考慮する必要はなく、それぞれの部位について、局所的に見て安定な構造を求めてあげれば良いはずである。つまり、全体構造を部分構造に分割し、局所的な構造最適化を繰り返すことで、この問題を実用的な計算資源を用いて解決することができる。しかしながら、従来の最適化計算において、蛋白質の構造を分割しながら高精度で最適化を行う手法は存在しなかった。
【０００８】
生体分子の計算における溶媒効果の重要性について種々の文献により指摘されているが（例えば、非特許文献１および非特許文献９参照。）、従来の方法では溶媒効果を考慮に入れたタンパク質の構造最適化が不可能であった。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、蛋白質の構造を分割しながら所望の原子座標の最適化を行うことのできる、タンパク質構造最適化装置、タンパク質構造最適化方法、プログラム、および、記録媒体を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、請求項１に記載のタンパク質構造最適化装置は、タンパク質の座標データを取得する座標データ取得手段と、上記タンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基から所定の距離内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出する近傍アミノ酸残基群抽出手段と、上記近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基を付加するキャップ付加手段と、上記キャップ付加手段により上記キャップ用置換基が付加された上記近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算する電荷計算手段と、上記キャップ付加手段により上記キャップ用置換基が付加された上記近傍アミノ酸残基群について、上記電荷計算手段により計算された上記電荷を用いて上記特定のアミノ酸残基の原子座標について構造最適化を実行する構造最適化手段と、上記構造最適化手段にて最適化された上記原子座標を、上記タンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換する原子座標置換手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
この装置によれば、タンパク質の座標データを取得し、タンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基から所定の距離内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出し、近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基を付加し、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算し、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群について、計算された電荷を用いて特定のアミノ酸残基の原子座標について構造最適化を実行し、最適化された原子座標を、タンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換するので、水素位置の決定やパッキングの問題の解消を、実用的な計算資源を用いて行うことが可能となる。
【００１２】
また、この装置によれば、既存の計算プログラムには一切手を加えずに最適化処理の高速化を図ることができる。すなわち、既存の分子軌道計算プログラムや、分子力学計算プログラムの入出力ファイルを用いて、本装置を実行することができる。但し、本装置のアルゴリズムを既存の分子軌道計算プログラムや、分子力学計算プログラムに組み込むことも可能である。
【００１３】
また、この装置によれば、従来の方法では不可能な溶媒効果を考慮に入れたタンパク質の構造最適化が可能になる。
【００１４】
また、請求項２に記載のタンパク質構造最適化装置は、請求項１に記載のタンパク質構造最適化装置において、上記キャップ用置換基は、水素原子（Ｈ）またはメチル基（ＣＨ3）であることを特徴とする。
【００１５】
これはキャップ用置換基の一例を一層具体的に示すものである。この装置によれば、キャップ用置換基は、水素原子（Ｈ）またはメチル基（ＣＨ3）であるので、近傍アミノ酸残基群について機械的に座標を切り取ったときの切り口が、ラジカルとなり計算に不都合を生じることを容易に解消することができるようになる。
【００１６】
また、請求項３に記載のタンパク質構造最適化装置は、請求項１または２に記載のタンパク質構造最適化装置において、近傍アミノ酸残基群抽出手段は、抽出した上記近傍アミノ酸残基群の中にシステイン（ＣＹＳ）が含まれている場合には、当該システイン（ＣＹＳ）とジスルフィド結合をしておりかつ上記近傍アミノ酸残基群には含まれない別のシステイン（ＣＹＳ）が存在しているか判定し、当該別のシステイン（ＣＹＳ）が存在する場合には当該別のシステイン（ＣＹＳ）も近傍アミノ酸残基群に加えることを特徴とする。
【００１７】
これは近傍アミノ酸残基群抽出手段の一例を一層具体的に示すものである。この装置によれば、近傍アミノ酸残基群抽出手段は、抽出した近傍アミノ酸残基群の中にシステイン（ＣＹＳ）が含まれている場合には、当該システイン（ＣＹＳ）とジスルフィド結合をしておりかつ近傍アミノ酸残基群には含まれない別のシステイン（ＣＹＳ）が存在しているか判定し、当該別のシステイン（ＣＹＳ）が存在する場合には当該別のシステイン（ＣＹＳ）も近傍アミノ酸残基群に加えるので、システイン間のジスルフィド結合を考慮して構造最適化を行うことができるようになる。
【００１８】
また、本発明はタンパク質構造最適化方法に関するものであり、請求項４に記載のタンパク質構造最適化方法は、タンパク質の座標データを取得する座標データ取得ステップと、上記タンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基から所定の距離内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出する近傍アミノ酸残基群抽出ステップと、上記近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基を付加するキャップ付加ステップと、上記キャップ付加ステップにより上記キャップ用置換基が付加された上記近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算する電荷計算ステップと、上記キャップ付加ステップにより上記キャップ用置換基が付加された上記近傍アミノ酸残基群について、上記電荷計算ステップにより計算された上記電荷を用いて上記特定のアミノ酸残基の原子座標について構造最適化を実行する構造最適化ステップと、上記構造最適化ステップにて最適化された上記原子座標を、上記タンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換する原子座標置換ステップとを含むことを特徴とする。
【００１９】
この方法によれば、タンパク質の座標データを取得し、タンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基から所定の距離内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出し、近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基を付加し、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算し、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群について、計算された電荷を用いて特定のアミノ酸残基の原子座標について構造最適化を実行し、最適化された原子座標を、タンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換するので、水素位置の決定やパッキングの問題の解消を、実用的な計算資源を用いて行うことが可能となる。
【００２０】
また、この方法によれば、既存の計算プログラムには一切手を加えずに最適化処理の高速化を図ることができる。すなわち、既存の分子軌道計算プログラムや、分子力学計算プログラムの入出力ファイルを用いて、本方法を実行することができる。但し、本方法のアルゴリズムを既存の分子軌道計算プログラムや、分子力学計算プログラムに組み込むことも可能である。
【００２１】
また、この方法によれば、従来の方法では不可能な溶媒効果を考慮に入れたタンパク質の構造最適化が可能になる。
【００２２】
また、請求項５に記載のタンパク質構造最適化方法は、請求項４に記載のタンパク質構造最適化方法において、上記キャップ用置換基は、水素原子（Ｈ）またはメチル基（ＣＨ3）であることを特徴とする。
【００２３】
これはキャップ用置換基の一例を一層具体的に示すものである。この方法によれば、キャップ用置換基は、水素原子（Ｈ）またはメチル基（ＣＨ3）であるので、近傍アミノ酸残基群について機械的に座標を切り取ったときの切り口が、ラジカルとなり計算に不都合を生じることを容易に解消することができるようになる。
【００２４】
また、請求項６に記載のタンパク質構造最適化方法は、請求項４または５に記載のタンパク質構造最適化方法において、近傍アミノ酸残基群抽出ステップは、抽出した上記近傍アミノ酸残基群の中にシステイン（ＣＹＳ）が含まれている場合には、当該システイン（ＣＹＳ）とジスルフィド結合をしておりかつ上記近傍アミノ酸残基群には含まれない別のシステイン（ＣＹＳ）が存在しているか判定し、当該別のシステイン（ＣＹＳ）が存在する場合には当該別のシステイン（ＣＹＳ）も近傍アミノ酸残基群に加えることを特徴とする。
【００２５】
これは近傍アミノ酸残基群抽出ステップの一例を一層具体的に示すものである。この方法によれば、近傍アミノ酸残基群抽出ステップは、抽出した近傍アミノ酸残基群の中にシステイン（ＣＹＳ）が含まれている場合には、当該システイン（ＣＹＳ）とジスルフィド結合をしておりかつ近傍アミノ酸残基群には含まれない別のシステイン（ＣＹＳ）が存在しているか判定し、当該別のシステイン（ＣＹＳ）が存在する場合には当該別のシステイン（ＣＹＳ）も近傍アミノ酸残基群に加えるので、システイン間のジスルフィド結合を考慮して構造最適化を行うことができるようになる。
【００２６】
また、本発明はプログラムに関するものであり、請求項７に記載のプログラムは、タンパク質の座標データを取得する座標データ取得ステップと、上記タンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基から所定の距離内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出する近傍アミノ酸残基群抽出ステップと、上記近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基を付加するキャップ付加ステップと、上記キャップ付加ステップにより上記キャップ用置換基が付加された上記近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算する電荷計算ステップと、上記キャップ付加ステップにより上記キャップ用置換基が付加された上記近傍アミノ酸残基群について、上記電荷計算ステップにより計算された上記電荷を用いて上記特定のアミノ酸残基の原子座標について構造最適化を実行する構造最適化ステップと、上記構造最適化ステップにて最適化された上記原子座標を、上記タンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換する原子座標置換ステップとを含むタンパク質構造最適化方法をコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００２７】
このプログラムによれば、タンパク質の座標データを取得し、タンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基から所定の距離内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出し、近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基を付加し、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算し、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群について、計算された電荷を用いて特定のアミノ酸残基の原子座標について構造最適化を実行し、最適化された原子座標を、タンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換するので、水素位置の決定やパッキングの問題の解消を、実用的な計算資源を用いて行うことが可能となる。
【００２８】
また、このプログラムによれば、既存の計算プログラムには一切手を加えずに最適化処理の高速化を図ることができる。すなわち、既存の分子軌道計算プログラムや、分子力学計算プログラムの入出力ファイルを用いて、本プログラムを実行することができる。但し、本プログラムのアルゴリズムを既存の分子軌道計算プログラムや、分子力学計算プログラムに組み込むことも可能である。
【００２９】
また、このプログラムによれば、従来のプログラムでは不可能な溶媒効果を考慮に入れたタンパク質の構造最適化が可能になる。
【００３０】
また、請求項８に記載のプログラムは、請求項７に記載のプログラムにおいて、上記キャップ用置換基は、水素原子（Ｈ）またはメチル基（ＣＨ3）であることを特徴とする。
【００３１】
これはキャップ用置換基の一例を一層具体的に示すものである。このプログラムによれば、キャップ用置換基は、水素原子（Ｈ）またはメチル基（ＣＨ3）であるので、近傍アミノ酸残基群について機械的に座標を切り取ったときの切り口が、ラジカルとなり計算に不都合を生じることを容易に解消することができるようになる。
【００３２】
また、請求項９に記載のプログラムは、請求項７または８に記載のプログラムにおいて、近傍アミノ酸残基群抽出ステップは、抽出した上記近傍アミノ酸残基群の中にシステイン（ＣＹＳ）が含まれている場合には、当該システイン（ＣＹＳ）とジスルフィド結合をしておりかつ上記近傍アミノ酸残基群には含まれない別のシステイン（ＣＹＳ）が存在しているか判定し、当該別のシステイン（ＣＹＳ）が存在する場合には当該別のシステイン（ＣＹＳ）も近傍アミノ酸残基群に加えることを特徴とする。
【００３３】
これは近傍アミノ酸残基群抽出ステップの一例を一層具体的に示すものである。このプログラムによれば、近傍アミノ酸残基群抽出ステップは、抽出した近傍アミノ酸残基群の中にシステイン（ＣＹＳ）が含まれている場合には、当該システイン（ＣＹＳ）とジスルフィド結合をしておりかつ近傍アミノ酸残基群には含まれない別のシステイン（ＣＹＳ）が存在しているか判定し、当該別のシステイン（ＣＹＳ）が存在する場合には当該別のシステイン（ＣＹＳ）も近傍アミノ酸残基群に加えるので、システイン間のジスルフィド結合を考慮して構造最適化を行うことができるようになる。
【００３４】
また、本発明は記録媒体に関するものであり、請求項１０に記載の記録媒体は、上記請求項７から９のいずれか一つに記載されたプログラムを記録したことを特徴とする。
【００３５】
この記録媒体によれば、当該記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータに読み取らせて実行することによって、請求項７から９のいずれか一つに記載されたプログラムをコンピュータを利用して実現することができ、これら各方法と同様の効果を得ることができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかるタンパク質構造最適化装置、タンパク質構造最適化方法、プログラム、および、記録媒体の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
特に、以下の実施の形態においては、本発明を、富士通（会社名）の「ＭＯＰＡＣ２０００ ｖｅｒ．１．０」（製品名）に適用した例について説明するが、この場合に限られず、他のプログラムを用いても同様に適用することができる。
【００３７】
[本発明の概要]
以下、本発明の概要について説明し、その後、本発明の構成および処理等について詳細に説明する。図１は本発明の基本原理を示すフローチャートである。
【００３８】
本発明は、概略的に、以下の基本的特徴を有する。まず、本発明は、タンパク質の座標データを取得する（ステップＳＡ−１）。ここで、取得するタンパク質の座標データは、例えば、Ｘ線結晶解析により求めた座標データに既知のモデリングソフト（例えば、Ａｃｃｅｌｒｙｓ Ｉｎｃ．（会社名）の「ＷｅｂＬａｂＶｉｅｗｅｒ Ｐｒｏ ４．２」（製品名）や「Ｉｎｓｉｇｈｔ ＩＩ」（製品名）（ｗｗｗ．ａｃｃｅｌｒｙｓ．ｃｏｍ）、Ｔｒｉｐｏｓ，Ｉｎｃ．（会社名）の「ＳＹＢＹＬ ６．７」（製品名）（ｗｗｗ．ｔｒｉｐｏｓ．ｃｏｍ）、ＣａｍｂｒｉｄｇｅＳｏｆｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（会社名)の「Ｃｈｅｍ３Ｄ ７．０」（製品名）（ｗｗｗ．ｃａｍｓｏｆｔ．ｃｏｍ）など）を用いて水素を付加したものや、また、ＰＤＢ（Ｐｒｏｔｅｉｎ Ｄｅｔａ Ｂａｓｅ）などの既知の蛋白構造データベースに登録された座標データなど、あらゆるタンパク質の座標データを用いてもよい。
【００３９】
そして、本発明は、タンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基ｉから所定の距離（例えば、ｒÅ）内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出する（ステップＳＡ−２）。すなわち、アミノ酸残基ｉに含まれる全原子から所定の距離内に存在する原子を含むアミノ酸残基の群が近傍アミノ酸残基群であり、この近傍アミノ酸残基群に含まれる全原子座標を抽出する。抽出した近傍アミノ酸残基群の中にシステイン（ＣＹＳ）が含まれており、それが別のシステイン（ＣＹＳ）とジスルフィド結合をしている場合には、その別のＣＹＳも近傍アミノ酸残基群に加えてもよい。
【００４０】
ステップＳＡ−２の操作で機械的に座標を切り取った場合、その切り口がラジカルとなり計算に不都合が生じる。これを解消するために、本発明は、近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基（例えば水素原子（Ｈ）またはメチル基（ＣＨ3）を付加する（ステップＳＡ−３）。
【００４１】
そして、本発明は、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算する（ステップＳＡ−４）。電荷計算は、既知のあらゆる電荷計算手法を用いてもよいが、例えば、塩基性アミノ酸残基数から酸性アミノ酸残基数を減算することにより高速に計算することもできる。
【００４２】
そして、本発明は、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群について、電荷を用いて、特定のアミノ酸残基ｉの原子座標について既知の分子軌道計算プログラム（例えば、「ＭＯＰＡＣ２０００ ｖｅｒ．１．０」（製品名）などの半経験的分子軌道計算プログラム）などを用いて構造最適化を実行する（ステップＳＡ−５）。
【００４３】
そして、本発明は、最適化された原子座標を、初期のタンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換する（ステップＳＡ−６）。
【００４４】
そして、本発明は、全てのアミノ酸残基ｉについてステップＳＡ−２からステップＳＡ−６を適用し（１番目のアミノ酸残基から最後のアミノ酸残基までｉをインクリメントしてループ処理を行う。）、全てのアミノ酸残基について最適化を実行する（ステップＳＡ−７）。
【００４５】
そして、本発明は、ステップＳＡ−７において得られた構造データを初期構造として、ステップＳＡ−１からステップＳＡ−７を複数回（ｎ回）実行することにより、更に構造最適化の精度を上げることができる（ステップＳＡ−８）。
【００４６】
［システム構成］
まず、本システムの構成について説明する。図２は、本発明が適用される本システムの構成の一例を示すブロック図であり、該構成のうち本発明に関係する部分のみを概念的に示している。本システムは、概略的に、タンパク質構造最適化装置１００と、タンパク質構造情報等に関する外部データベースやホモロジー検索等の外部プログラム等を提供する外部システム２００とを、ネットワーク３００を介して通信可能に接続して構成されている。
【００４７】
図２においてネットワーク３００は、タンパク質構造最適化装置１００と外部システム２００とを相互に接続する機能を有し、例えば、インターネット等である。
【００４８】
図２において外部システム２００は、ネットワーク３００を介して、タンパク質構造最適化装置１００と相互に接続され、利用者に対してタンパク質構造情報等に関する外部データベースやホモロジー検索やモチーフ検索等の外部プログラムを実行するウェブサイトを提供する機能を有する。
【００４９】
ここで、外部システム２００は、ＷＥＢサーバやＡＳＰサーバ等として構成してもよく、そのハードウェア構成は、一般に市販されるワークステーション、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置およびその付属装置により構成してもよい。また、外部システム２００の各機能は、外部システム２００のハードウェア構成中のＣＰＵ、ディスク装置、メモリ装置、入力装置、出力装置、通信制御装置等およびそれらを制御するプログラム等により実現される。
【００５０】
図２においてタンパク質構造最適化装置１００は、概略的に、タンパク質構造最適化装置１００の全体を統括的に制御するＣＰＵ等の制御部１０２、通信回線等に接続されるルータ等の通信装置（図示せず）に接続される通信制御インターフェース部１０４、入力装置１１２や出力装置１１４に接続される入出力制御インターフェース部１０８、および、各種のデータベースやテーブルなどを格納する記憶部１０６を備えて構成されており、これら各部は任意の通信路を介して通信可能に接続されている。さらに、このタンパク質構造最適化装置１００は、ルータ等の通信装置および専用線等の有線または無線の通信回線を介して、ネットワーク３００に通信可能に接続されている。
【００５１】
記憶部１０６に格納される各種のデータベースやテーブルなど（タンパク質構造情報データベース１０６ａ〜処理結果ファイル１０６ｂ）は、固定ディスク装置等のストレージ手段であり、各種処理に用いる各種のプログラムやテーブルやファイルやデータベースやウェブページ用ファイル等を格納する。
【００５２】
これら記憶部１０６の各構成要素のうち、タンパク質構造情報データベース１０６ａは、タンパク質の立体構造の座標データ等を格納した座標データ格納手段である。タンパク質構造情報データベース１０６ａは、インターネットを経由してアクセスするＰＤＢなどの外部のデータベースであってもよく、また、これらのデータベースをコピーしたり、オリジナルの情報を格納したり、さらに独自のアノテーション情報等を付加したりして作成したインハウスデータベースであってもよい。
【００５３】
また、処理結果ファイル１０６ｂは、タンパク質構造最適化装置１００の制御部１０２の各処理による処理結果に関する情報等を格納する処理結果格納手段である。
【００５４】
また、図２において、通信制御インターフェース部１０４は、タンパク質構造最適化装置１００とネットワーク３００（またはルータ等の通信装置）との間における通信制御を行う。すなわち、通信制御インターフェース部１０４は、他の端末と通信回線を介してデータを通信する機能を有する。
【００５５】
また、図２において、入出力制御インターフェース部１０８は、入力装置１１２や出力装置１１４の制御を行う。ここで、出力装置１１４としては、モニタ（家庭用テレビを含む）の他、スピーカを用いることができる（なお、以下においては出力装置１１４をモニタとして記載する場合がある）。また、入力装置１１２としては、キーボード、マウス、および、マイク等を用いることができる。また、モニタも、マウスと協働してポインティングデバイス機能を実現する。
【００５６】
また、図２において、制御部１０２は、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）等の制御プログラム、各種の処理手順等を規定したプログラム、および所要データを格納するための内部メモリを有し、これらのプログラム等により、種々の処理を実行するための情報処理を行う。制御部１０２は、機能概念的に、座標データ取得部１０２ａ、近傍アミノ酸残基群抽出部１０２ｂ、キャップ付加部１０２ｃ、電荷計算部１０２ｄ、構造最適化部１０２ｅ、および、原子座標置換部１０２ｆを備えて構成されている。
【００５７】
このうち、座標データ取得部１０２ａは、タンパク質の座標データを取得する座標データ取得手段である。また、近傍アミノ酸残基群抽出部１０２ｂは、タンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基から所定の距離内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出する近傍アミノ酸残基群抽出手段である。また、キャップ付加部１０２ｃは、近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基を付加するキャップ付加手段である。また、電荷計算部１０２ｄは、キャップ付加手段により上記キャップ用置換基が付加された上記近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算する電荷計算手段である。また、構造最適化部１０２ｅは、キャップ付加手段により上記キャップ用置換基が付加された上記近傍アミノ酸残基群について、上記電荷計算手段により計算された上記電荷を用いて上記特定のアミノ酸残基の原子座標について構造最適化を実行する構造最適化手段である。また、原子座標置換部１０２ｆは、構造最適化手段にて最適化された上記原子座標を、上記タンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換する原子座標置換手段である。なお、これら各部によって行なわれる処理の詳細については、後述する。
【００５８】
[システムの処理]
次に、このように構成された本実施の形態における本システムの処理の一例について、以下に図３〜図１９を参照して詳細に説明する。
【００５９】
[メイン処理]
まず、メイン処理の詳細について図３を参照して説明する。図３は、本実施形態における本システムのメイン処理の一例を示すフローチャートである。
【００６０】
タンパク質構造最適化装置１００は、座標データ取得部１０２ａの処理により、タンパク質構造情報データベース１０６ａや外部システム２００の外部データベースから所望のタンパク質の座標データを取得する（ステップＳＢ−１）。ここで、取得するタンパク質の座標データは、例えば、Ｘ線結晶解析により求めた座標データに既知のモデリングソフト（例えば、Ａｃｃｅｌｒｙｓ Ｉｎｃ．（会社名）の「ＷｅｂＬａｂ Ｖｉｅｗｅｒ Ｐｒｏ ４．２」（製品名）や「Ｉｎｓｉｇｈｔ ＩＩ」（製品名）（ｗｗｗ．ａｃｃｅｌｒｙｓ．ｃｏｍ）、Ｔｒｉｐｏｓ，Ｉｎｃ．（会社名）の「ＳＹＢＹＬ ６．７」（製品名）（ｗｗｗ．ｔｒｉｐｏｓ．ｃｏｍ）、ＣａｍｂｒｉｄｇｅＳｏｆｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（会社名)の「Ｃｈｅｍ３Ｄ ７．０」（製品名）（ｗｗｗ．ｃａｍｓｏｆｔ．ｃｏｍ）など）を用いて水素を付加したものや、また、ＰＤＢ（Ｐｒｏｔｅｉｎ Ｄｅｔａ Ｂａｓｅ）などの既知の蛋白構造データベースに登録された座標データなど、あらゆるタンパク質の座標データを用いてもよい。
【００６１】
ここで、図４は、タンパク質の座標データの一例を示す図である。図４に示す例では、ＰＤＢ形式の座標データを用いており、また、Ｘ線結晶解析で求めた構造情報に市販のプログラムにより水素を付加している。
【００６２】
再び図３に戻り、タンパク質構造最適化装置１００は、制御部１０２の処理により、処理回数を表すカウンターｎ（初期値は０）に１を加算する（ステップＳＢ−２）。
【００６３】
また、タンパク質構造最適化装置１００は、制御部１０２の処理により、アミノ酸残基番号を表すカウンターｉ（初期値は０）に１を加算する（ステップＳＢ−３）。
【００６４】
そして、タンパク質構造最適化装置１００は、近傍アミノ酸残基群抽出部１０２ｂの処理により、処理対象のタンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基ｉから所定の距離（例えば、ｒÅ）内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出する（ステップＳＢ−４）。すなわち、アミノ酸残基ｉに含まれる全ての原子ｊから所定の距離内に存在する原子ｌを含むアミノ酸残基ｋ（ｋ≠ｉ）の群が近傍アミノ酸残基群であり、この近傍アミノ酸残基群に含まれる全ての原子ｍの座標を抽出する。
【００６５】
また、抽出した近傍アミノ酸残基群の中にシステイン（ＣＹＳ）が含まれており、それが別のシステイン（ＣＹＳ）とジスルフィド結合をしている場合には、その別のシステイン（ＣＹＳ）も近傍アミノ酸残基群に加えてもよい。すなわち、近傍アミノ酸残基群抽出部１０２ｂは、抽出した近傍アミノ酸残基群の中にシステイン（ＣＹＳ）が含まれている場合には、当該システイン（ＣＹＳ）とジスルフィド結合をしている近傍アミノ酸残基群には含まれない別のシステイン（ＣＹＳ）が存在しているか判定し、当該別のシステイン（ＣＹＳ）が存在する場合には当該別のシステイン（ＣＹＳ）も近傍アミノ酸残基群に加える。
【００６６】
ステップＳＢ−４の操作で機械的に座標を切り取った場合、その切り口がラジカルとなり計算に不都合が生じる。これを解消するために、タンパク質構造最適化装置１００は、キャップ付加部１０２ｃの処理により、近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基（例えば水素原子（Ｈ）またはメチル基（ＣＨ3））を付加する（ステップＳＢ−３）。キャップ用置換基として水素、メチル基のどちらを用いるかは、ユーザが目的に応じて判断する。
【００６７】
ここで、キャップ付加部１０２ｃのよるキャップ付加処理の詳細について図５から図１２を参照して説明する。
【００６８】
図５は、本実施形態における切り口に水素原子を付加する場合のキャップ付加処理の一例を示すフローチャートである。また、図６は、もとの座標とキャップ置換基を付加した後の座標の概念を示す図である。図５は、図６に示すもとの座標（左側）に対してアミノ基側へキャップ付加（右側）をする際の処理の一例を示す。近傍アミノ酸残基群の任意の残基をｊとする。
【００６９】
キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊがＮ端アミノ酸である場合（ステップＳＣ−１）、アミノ酸残基ｊのアミノ側は切り口になっていないので、キャップ付加は不要とする（ステップＳＣ−２）。
【００７０】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊがＮ端アミノ酸でない場合には（ステップＳＣ−１）、隣のアミノ酸残基ｊ−１も抽出されたアミノ酸残基群に含まれる場合（ステップＳＣ−３）、残基ｊのアミノ側は切り口になっていないので、キャップ付加は不要とする（ステップＳＣ−４）。
【００７１】
一方、キャップ付加部１０２ｃは、隣のアミノ酸残基ｊ−１も抽出されたアミノ酸残基群に含まれない場合には（ステップＳＣ−３）、アミノ酸残基ｊ−１の主鎖カルボニル炭素をＣj-1とする（ステップＳＣ−５）。
【００７２】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊの主鎖アミノ基窒素をＮjとする（ステップＳＣ−６）。
【００７３】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、付加するキャップ水素原子ＨCAPNの位置を以下の数式（１）に従って決める（ステップＳＣ−７）。
【数１】
次に図７は、本実施形態における切り口に水素原子を付加する場合のキャップ付加処理の一例を示すフローチャートである。また、図８は、もとの座標とキャップ置換基を付加した後の座標の概念を示す図である。図７は、図８に示すもとの座標（左側）に対してカルボキシル基側へキャップ付加（右側）をする際の処理の一例を示す。近傍アミノ酸残基群の任意の残基をｊとする。
【００７５】
キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊがＣ端アミノ酸である場合（ステップＳＤ−１）、アミノ酸残基ｊのアミノ側は切り口になっていないので、キャップ付加は不要とする（ステップＳＤ−２）。
【００７６】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊがＣ端アミノ酸でない場合には（ステップＳＤ−１）、隣のアミノ酸残基ｊ＋１も抽出されたアミノ酸残基群に含まれる場合（ステップＳＤ−３）、残基ｊのアミノ側は切り口になっていないので、キャップ付加は不要とする（ステップＳＤ−４）。
【００７７】
一方、キャップ付加部１０２ｃは、隣のアミノ酸残基ｊ＋１も抽出されたアミノ酸残基群に含まれない場合には（ステップＳＤ−３）、アミノ酸残基ｊ＋１の主鎖アミノ基窒素をＮj+1とする（ステップＳＤ−５）。
【００７８】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊの主鎖カルボニル炭素をＣjとする（ステップＳＤ−６）。
【００７９】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、付加するキャップ水素原子ＨCAPCの位置を以下の数式（２）に従って決める（ステップＳＤ−７）。
【数２】
次に図９は、本実施形態における切り口にメチル基を付加する場合のキャップ付加処理の一例を示すフローチャートである。また、図１０は、もとの座標とキャップ置換基を付加した後の座標の概念を示す図である。図９は、図１０に示すもとの座標（左側）に対してアミノ基側へキャップ付加（右側）をする際の処理の一例を示す。近傍アミノ酸残基群の任意の残基をｊとする。
【００８１】
キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊがＮ端アミノ酸である場合（ステップＳＥ−１）、アミノ酸残基ｊのアミノ側は切り口になっていないので、キャップ付加は不要とする（ステップＳＥ−２）。
【００８２】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊがＮ端アミノ酸でない場合には（ステップＳＥ−１）、隣のアミノ酸残基ｊ−１も抽出されたアミノ酸残基群に含まれる場合（ステップＳＥ−３）、残基ｊのアミノ側は切り口になっていないので、キャップ付加は不要とする（ステップＳＥ−４）。
【００８３】
一方、キャップ付加部１０２ｃは、隣のアミノ酸残基ｊ−１も抽出されたアミノ酸残基群に含まれない場合には（ステップＳＥ−３）、アミノ酸残基ｊ−１の主鎖カルボニル炭素をＣj-1とする（ステップＳＥ−５）。
【００８４】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊの主鎖アミノ基窒素をＮjとする（ステップＳＥ−６）。
【００８５】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊの主鎖α炭素をＣＡjとする（ステップＳＥ−７）。
【００８６】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、付加するキャップメチル基炭素ＣCAPNの位置を以下の数式（３）に従って決める（ステップＳＥ−８）。
【数３】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、付加する３つのキャップメチル基水素ＨCAPNk（ｋ＝１，２，３）の位置を以下の条件（数式（４））で決める（ステップＳＥ−９）。
【数４】
次に図１１は、本実施形態における切り口にメチル基を付加する場合のキャップ付加処理の一例を示すフローチャートである。また、図１２は、もとの座標とキャップ置換基を付加した後の座標の概念を示す図である。図１１は、図１２に示すもとの座標（左側）に対してカルボキシル基側へキャップ付加（右側）をする際の処理の一例を示す。近傍アミノ酸残基群の任意の残基をｊとする。
【００８９】
キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊがＣ端アミノ酸である場合（ステップＳＦ−１）、アミノ酸残基ｊのアミノ側は切り口になっていないので、キャップ付加は不要とする（ステップＳＦ−２）。
【００９０】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊがＣ端アミノ酸でない場合には（ステップＳＦ−１）、隣のアミノ酸残基ｊ＋１も抽出されたアミノ酸残基群に含まれる場合（ステップＳＦ−３）、残基ｊのアミノ側は切り口になっていないので、キャップ付加は不要とする（ステップＳＦ−４）。
【００９１】
一方、キャップ付加部１０２ｃは、隣のアミノ酸残基ｊ＋１も抽出されたアミノ酸残基群に含まれない場合には（ステップＳＦ−３）、アミノ酸残基ｊ＋１の主鎖アミノ基窒素をＮj+1とする（ステップＳＦ−５）。
【００９２】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊの主鎖カルボニル炭素をＣjとする（ステップＳＦ−６）。
【００９３】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、アミノ酸残基ｊの主鎖α炭素をＣＡjとする（ステップＳＦ−７）。
【００９４】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、付加するキャップメチル基炭素ＣCAPCの位置を以下の数式（５）に従って決める（ステップＳＦ−８）。
【数５】
そして、キャップ付加部１０２ｃは、付加する３つのキャップメチル基水素ＨCAPCk（ｋ＝１，２，３）の位置を以下の条件（数式（６））で決める（ステップＳＦ−９）。
【数６】
これにて、キャップ付加処理が終了する。
【００９６】
再び図３に戻り、タンパク質構造最適化装置１００は、全ての近傍アミノ酸残基群の切口にキャップを付加すると、ステップＳＢ−４で抽出したアミノ酸残基群全体の電荷計算を行う。すなわち、ＭＯＰＡＣ２０００に限らず、一般に分子軌道計算を行う際には対象となる系全体の電荷を入力データとして与えるため、タンパク質構造最適化装置１００は、電荷計算部１０２ｄの処理により、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算する（ステップＳＢ−６）。
【００９７】
電荷計算は、既知のあらゆる電荷計算手法を用いてもよいが、例えば、以下の数式（７）を用いて、塩基性アミノ酸残基数から酸性アミノ酸残基数を減算することにより高速に計算することもできる。
（全体電荷）＝（塩基性アミノ酸残基数）−（酸性アミノ残基数） （数７）
ここで、塩基性アミノ酸残基は、ＡＲＧ、ＬＹＳなどであり、酸性アミノ酸残基は、ＡＳＰ、ＧＬＵなどである。アミノ酸種別は、図１３に示すように、入力データとして与えるＰＤＢ形式データの三文字表記（１８−２０カラムの文字）で判別する（「ＰＤＢ Ｆｉｌｅ Ｆｏｒｍａｔ Ｃｏｎｔｅｎｔｓ Ｇｕｉｄｅ Ｖｅｒｓｉｏｎ ２．２」（２０ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ １９９６）参照）。また、中性アミノ酸残基（例えば、ＡＲＧ、ＬＹＳ、ＡＳＰ、ＧＬＵなど）や、プロトン化したＨＩＳ（電荷＋１）の表記法は、分子動力学計算プログラム「Ａｍｂｅｒ ７」（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，２００２．）の様式に従いＡＲＮ，ＬＹＮ，ＡＳＨ，ＧＬＨ，ＨＩＰとして、入力ＰＤＢデータで記述し判別する。また、非天然のアミノ酸残基や、ユーザ定義のアミノ酸、リガンド分子の電荷も個別に設定できるようにしておく。例えば、リン酸化したＴＨＲをＴＰＯと定義し、このアミノ酸に対しては−２の電荷を与えるようにプログラムで設定しておく。
【００９８】
そして、タンパク質構造最適化装置１００は、構造最適化部１０２ｅの処理により、ＭＯＰＡＣ２０００の入力ファイルを作成するために、アミノ酸残基ｉを構成する各原子に対して最適化処理対象の原子であることを表す「最適化フラグ」を設定する（ステップＳＣ−７）。なお、ＭＯＰＡＣ２０００に限らず、一般に計算化学的手法（分子軌道法、分子力学法など）で構造最適化を行う際には、最適な位置に動かす原子と、座標を固定して位置を動かさない原子を設定し、部分構造最適化を行うこともできる。ここでは、最適な位置に動かす原子を入力データとして判別できるように設定する事を、ＭＯＰＡＣ２０００の慣例に倣って、「最適化フラグを設定する」と呼ぶことにする（「ＭＯＰＡＣ２０００ Ｍａｎｕａｌ」Ｆｕｊｉｔｕ Ｌｉｍｉｔｅｄ， Ｔｏｋｙｏ，２０００ 参照）。
【００９９】
具体的には、構造最適化部１０２ｅは、水素の構造最適化を行う場合、アミノ酸残基ｉの水素原子に最適化フラグを設定する。図１４は、アミノ酸残基ｉの水素原子に最適化フラグを設定する場合の一例を示す図である。図１４は、ＰＤＢコードが「１ＣＢＩ」のタンパク質に対して水素付加を行った入力ＰＤＢデータに対して、特定アミノ酸残基が５０番目のアミノ酸残基（ｉ＝５０）であり、距離が３．０オングストローム（ｒ＝３．０Å）のときに抽出される近傍アミノ酸残基群を示している。また、上述の方法により近傍アミノ酸残基群の切り口にキャップ置換基（水素原子）の付加も行っている。また、上述のステップＳＢ−６では、ここに示した全原子を考慮して電荷計算を行っている。図１４において、太線と球で表示されている部分が計算の中心残基であるＰＨＥ５０（ｉ＝５０のアミノ酸残基であるフェニルアラニン）である。このＰＨＥ５０の中で最適化フラグを設定する水素原子を球で示している。
【０１００】
また、構造最適化部１０２ｅは、側鎖の構造最適化を行う場合、アミノ酸残基ｉの水素と側鎖原子に最適化フラグを設定する。図１５は、アミノ酸残基ｉの水素と側鎖原子に最適化フラグを設定する場合の一例を示す図である。図１５は、ＰＤＢコードが「１ＣＢＩ」のタンパク質に対して水素付加を行った入力ＰＤＢデータに対して、特定アミノ酸残基が５０番目のアミノ酸残基（ｉ＝５０）であり、距離が３．０オングストローム（ｒ＝３．０Å）のときに抽出される近傍アミノ酸残基群を示している。また、上述の方法により近傍アミノ酸残基群の切り口にキャップ置換基（水素原子）の付加も行っている。また、上述のステップＳＢ−６では、ここに示した全原子を考慮して電荷計算を行っている。図１５において、太線と球で表示されている部分が計算の中心残基であるＰＨＥ５０（ｉ＝５０のアミノ酸残基であるフェニルアラニン）である。このＰＨＥ５０の中で最適化フラグを設定する水素原子と側鎖原子を球で示している。
【０１０１】
また、構造最適化部１０２ｅは、全原子の構造最適化を行う場合、アミノ酸残基ｉの全原子に最適化フラグを設定する。ただし、ＭＯＰＡＣ２０００を含め現状の分子軌道理論では、主鎖構造の２次構造を再現することが困難なため、主鎖原子の最適化は一般には行わないことが多いが２次構造を再現できる精度の高い理論が構築されれば、全構造最適化も有効となる。
【０１０２】
再び図３に戻り、タンパク質構造最適化装置１００は、構造最適化部１０２ｅの処理により、ＭＯＰＡＣ２０００の入力ファイルを作成する（ステップＳＢ−８）。図１６は、ＭＯＰＡＣ２０００の入力ファイルの一例を示す図である。図１６に示すように、電荷、近傍アミノ酸残基群の座標データ、最適化フラグなどを含む入力ファイルを作成する。
【０１０３】
そして、タンパク質構造最適化装置１００は、構造最適化部１０２ｅの処理により、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群について、電荷を用いて、特定のアミノ酸残基の原子座標についてＭＯＰＡＣ２０００を用いて構造最適化を実行する（ステップＳＢ−９）。ここで、図１７は、ＭＯＰＡＣ２０００による構造最適化処理の結果を示す出力ファイルの一例を示す図である。図１７に示すように、構造最適化後の座標データが出力される。なお、図１７において、「＊」の付いた座標が最適化された部分を示している。
【０１０４】
そして、タンパク質構造最適化装置１００は、原子座標置換部１０２ｆの処理により、最適化された原子座標を、初期のタンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換する（ステップＳＢ−１０）。すなわち、原子座標置換部１０２ｆは、ＭＯＰＡＣ２０００の処理結果（出力ファイル）の「＊」の付いた座標が最適化部分であるため、この部分を抜き出しステップＳＢ−１で用意した座標データの対応する座標部分と置き換える。
【０１０５】
そして、タンパク質構造最適化装置１００は、全てのアミノ酸残基ｉについてステップＳＢ−３からステップＳＢ−１０を適用し（１番目のアミノ酸残基から最後のアミノ酸残基までｉをインクリメントしてループ処理を行う。）、全てのアミノ酸残基について最適化を実行する（ステップＳＢ−１１）。
【０１０６】
そして、タンパク質構造最適化装置１００は、ステップＳＢ−１０において得られた構造データを初期構造として、ステップＳＢ−２からステップＳＢ−７を複数回（ｎ回）実行することにより、更に構造最適化の精度を上げることができる（ステップＳＢ−１２）。すなわち、ステップＳＢ−４からステップＳＢ−１０の処理をＮ残基からＣ端残基まで行うことで、すべてのアミノ酸残基について部分構造が最適化されたＰＤＢ形式の座標データが得られる。この座標データを入力として、座標は固定して（すべての原子に対して最適化フラグを設定せずに）ＭＯＰＡＣでエネルギー計算を行う。また、上述のステップＳＢ−４からステップＳＢ−１０の操作を含むループ処理は、例えばスクリプトプログラムを用いて実行してもよい。
これにて、メイン処理が終了する。
【０１０７】
[本発明による計算例]
次に、本発明による計算例の詳細について図１８および図１９などを参照して説明する。本計算例では、サンプル分子として「Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｐｅａｒ Ｓ３−Ｒｉｂｏｎｕｃｌｅａｓｅ」（ＰＤＢ ＩＤ：１ＩＱＱＡ）を用いて、特定アミノ酸残基を２００番目のアミノ酸残基（３２６２原子 Ｃ１０４７Ｈ１６１９ Ｎ２８５ Ｏ３００ Ｓ１１）をした場合である。また、本計算例で使用した計算機の機種名は、ＣＯＭＰＡＱ（会社名）の「ＡｌｐｈａＳｅｒｖｅｒ ＥＳ４０（ＣＰＵ Ａｌｐｈａ ２１２６４ ８３３ＭＨｚ）」（製品名）である。図１８は、従来の最適化手法（ＭＯＺＹＭＥ法＋ＢＦＧＳ法）と本発明の手法により水素構造を最適化した場合の計算結果を示す図である。また、図１９は、従来の最適化手法（ＭＯＺＹＭＥ法＋ＢＦＧＳ法）と本発明の手法により側鎖構造を最適化した場合の計算結果を示す図である。図１８および図１９において、縦軸は、生成熱Ｈｅａｔ ｏｆ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ（ｋｃａｌ ｍｏｌ-1）であり、横軸はＣＰＵ時間（秒）を示している。また、初期構造のＨｅａｔ ｏｆ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎの値は、−１０４４．５３５７１ｋｃａｌ・ｍｏｌ-1である。
【０１０８】
本計算例について計算時間とエネルギー（生成熱）の関係をみると、本発明の手法では、計算時間に対してエネルギーの収束が速く、全体のループを３〜５回繰り返すこと（ｎ＝３〜５）で、エネルギーが収束することがわかる。また、計算精度よりも計算時間を優先する場合には、ｒの値を小さめにとり、その逆に計算精度を求める場合には、ｒの値を大きめにとることもできる。
【０１０９】
また、本計算例について必要となる最大メモリ容量をみると、従来の手法では、水素構造最適化を行う場合は、５０６ＭＢ（メガバイト）であり、側鎖構造最適化を行う場合は、６６７ＭＢであった。一方、本発明の手法では、水素構造最適化を行う場合は、３０１ＭＢであり、側鎖構造最適化を行う場合は、３０１ＭＢであった。このように、本発明の手法ではメモリの少量化も図ることができた。
【０１１０】
[他の実施の形態]
さて、これまで本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上述した実施の形態以外にも、上記特許請求の範囲に記載した技術的思想の範囲内において種々の異なる実施の形態にて実施されてよいものである。
【０１１１】
例えば、タンパク質構造最適化装置１００がスタンドアローンの形態で処理を行う場合を一例に説明したが、タンパク質構造最適化装置１００とは別筐体で構成されるクライアント端末からの要求に応じて処理を行い、その処理結果を当該クライアント端末に返却するように構成してもよい。
【０１１２】
また、上述した実施の形態では、半経験的分子軌道プログラムであるＭＯＰＡＣ２０００を用いる場合を一例として説明したが、他の既知の計算手法やプログラムを用いてもよい。例えば、分子軌道計算プログラムである「Ｇａｕｓｓｉａｎ ９８ Ｒｅｖ． Ａ．１１．３」（製品名）（Ｇａｕｓｓｉａｎ， Ｉｎｃ．（会社名），Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇ ＰＡ， ２００２）、「Ｇａｍｅｓｓ Ｊｕｎｅ ２０ ２００２ Ｒ２」（製品名）（Ｉｏｗａ Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， ２００２）などのプログラムに置き換えれば、アブイニシオ（ａｂ ｉｎｉｔｉｏ）分子軌道法による構造最適化が可能になる。また、「Ａｍｂｅｒ ７」（製品名）（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ， ２００２）や 、「Ｔｉｎｋｅｒ ３．７」（製品名）（Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ，２００１）などに置き換えれば、分子力学計算の高速化も可能である。これらのプログラムの入出力データは、ＭＯＰＡＣ２０００の入力ファイルと座標パラメータの並び方などが異なるだけであるため、「Ｂａｂｅｌ ｖｅｒｓｉｏｎ １．６」（製品名）（Ｐａｔ Ｗａｌｔｅｒｓ ａｎｄ Ｍａｔｔ Ｓｔａｈｌ， １９９６）等のプログラムを用いて容易にＭＯＰＡＣ２０００の入出力データと変換することできる。ＭＯＰＡＣ２０００は半経験的分子軌道プログラムと呼ばれ半定量的な結果が得られる。一方、ＧａｕｓｓｉａｎやＧａｍｅｓｓなどは、ａｂｉｎｉｔｉｏ分子軌道計算プログラムと呼ばれ半経験的な方法よりも定量的な結果が得られるが、計算時間は半経験的な方法より格段にかかるのが一般的である。
【０１１３】
また、実施形態において説明した各処理のうち、自動的に行なわれるものとして説明した処理の全部または一部を手動的に行うこともでき、あるいは、手動的に行なわれるものとして説明した処理の全部または一部を公知の方法で自動的に行うこともできる。
この他、上記文書中や図面中で示した処理手順、制御手順、具体的名称、各種の登録データや検索条件等のパラメータを含む情報、画面例、データベース構成については、特記する場合を除いて任意に変更することができる。
【０１１４】
また、タンパク質構造最適化装置１００に関して、図示の各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。
例えば、タンパク質構造最適化装置１００の各部または各装置が備える処理機能、特に制御部１０２にて行なわれる各処理機能については、その全部または任意の一部を、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）および当該ＣＰＵにて解釈実行されるプログラムにて実現することができ、あるいは、ワイヤードロジックによるハードウェアとして実現することも可能である。なお、プログラムは、後述する記録媒体に記録されており、必要に応じてタンパク質構造最適化装置１００に機械的に読み取られる。
【０１１５】
すなわち、ＲＯＭまたはＨＤなどの記憶部１０６などには、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）と協働してＣＰＵに命令を与え、各種処理を行うためのコンピュータプログラムが記録されている。このコンピュータプログラムは、ＲＡＭ等にロードされることによって実行され、ＣＰＵと協働して制御部１０２を構成する。また、このコンピュータプログラムは、タンパク質構造最適化装置１００に対して任意のネットワーク３００を介して接続されたアプリケーションプログラムサーバに記録されてもよく、必要に応じてその全部または一部をダウンロードすることも可能である。
【０１１６】
また、本発明にかかるプログラムを、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納することもできる。ここで、この「記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ等の任意の「可搬用の物理媒体」や、各種コンピュータシステムに内蔵されるＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤ等の任意の「固定用の物理媒体」、あるいは、ＬＡＮ、ＷＡＮ、インターネットに代表されるネットワークを介してプログラムを送信する場合の通信回線や搬送波のように、短期にプログラムを保持する「通信媒体」を含むものとする。
【０１１７】
また、「プログラム」とは、任意の言語や記述方法にて記述されたデータ処理方法であり、ソースコードやバイナリコード等の形式を問わない。なお、「プログラム」は必ずしも単一的に構成されるものに限られず、複数のモジュールやライブラリとして分散構成されるものや、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）に代表される別個のプログラムと協働してその機能を達成するものをも含む。なお、実施の形態に示した各装置において記録媒体を読み取るための具体的な構成、読み取り手順、あるいは、読み取り後のインストール手順等については、周知の構成や手順を用いることができる。
【０１１８】
また、タンパク質構造最適化装置１００は、さらなる構成要素として、マウス等の各種ポインティングデバイスやキーボードやイメージスキャナやデジタイザ等から成る入力装置（図示せず）、入力データのモニタに用いる表示装置（図示せず）、システムクロックを発生させるクロック発生部（図示せず）、および、各種処理結果その他のデータを出力するプリンタ等の出力装置（図示せず）を備えてもよく、また、入力装置、表示装置および出力装置は、それぞれ入出力インターフェースを介して制御部１０２に接続されてもよい。
【０１１９】
記憶部１０６に格納される各種のデータベース等（タンパク質構造情報データベース１０６ａ〜処理結果ファイル１０６ｂ）は、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ装置、ハードディスク等の固定ディスク装置、フレキシブルディスク、光ディスク等のストレージ手段であり、各種処理やウェブサイト提供に用いる各種のプログラムやテーブルやファイルやデータベースやウェブページ用ファイル等を格納する。
【０１２０】
また、タンパク質構造最適化装置１００は、既知のパーソナルコンピュータ、ワークステーション等の情報処理端末等の情報処理装置にプリンタやモニタやイメージスキャナ等の周辺装置を接続し、該情報処理装置に本発明の方法を実現させるソフトウェア（プログラム、データ等を含む）を実装することにより実現してもよい。
【０１２１】
さらに、タンパク質構造最適化装置１００の分散・統合の具体的形態は図示のものに限られず、その全部または一部を、各種の負荷等に応じた任意の単位で、機能的または物理的に分散・統合して構成することができる。例えば、各データベースを独立したデータベース装置として独立に構成してもよく、また、処理の一部をＣＧＩ（Ｃｏｍｍｏｎ Ｇａｔｅｗａｙ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を用いて実現してもよい。
【０１２２】
また、ネットワーク３００は、タンパク質構造最適化装置１００と外部システム２００とを相互に接続する機能を有し、例えば、インターネットや、イントラネットや、ＬＡＮ（有線／無線の双方を含む）や、ＶＡＮや、パソコン通信網や、公衆電話網（アナログ／デジタルの双方を含む）や、専用回線網（アナログ／デジタルの双方を含む）や、ＣＡＴＶ網や、ＩＭＴ２０００方式、ＧＳＭ方式またはＰＤＣ／ＰＤＣ―Ｐ方式等の携帯回線交換網／携帯パケット交換網や、無線呼出網や、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ等の局所無線網や、ＰＨＳ網や、ＣＳ、ＢＳまたはＩＳＤＢ等の衛星通信網等のうちいずれかを含んでもよい。すなわち、本システムは、有線・無線を問わず任意のネットワークを介して、各種データを送受信することができる。
【０１２３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、タンパク質の座標データを取得し、タンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基から所定の距離内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出し、近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基を付加し、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算し、キャップ用置換基が付加された近傍アミノ酸残基群について、計算された電荷を用いて特定のアミノ酸残基の原子座標について構造最適化を実行し、最適化された原子座標を、タンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換するので、水素位置の決定やパッキングの問題の解消を、実用的な計算資源を用いて行うことが可能となるタンパク質構造最適化装置、タンパク質構造最適化方法、プログラム、および、記録媒体を提供することができる。
【０１２４】
また、本発明によれば、既存の計算プログラムには一切手を加えずに最適化処理の高速化を図ることができるタンパク質構造最適化装置、タンパク質構造最適化方法、プログラム、および、記録媒体を提供することができる。すなわち、既存の分子軌道計算プログラムや、分子力学計算プログラムの入出力ファイルを用いて、本装置を実行することができる。但し、本装置のアルゴリズムを既存の分子軌道計算プログラムや、分子力学計算プログラムに組み込むことも可能である。
【０１２５】
また、本発明によれば、従来の方法では不可能な溶媒効果を考慮に入れたタンパク質の構造最適化が可能になるタンパク質構造最適化装置、タンパク質構造最適化方法、プログラム、および、記録媒体を提供することができる。
【０１２６】
また、本発明によれば、キャップ用置換基は、水素原子（Ｈ）またはメチル基（ＣＨ3）であるので、近傍アミノ酸残基群について機械的に座標を切り取ったときの切り口が、ラジカルとなり計算に不都合を生じることを容易に解消することができるタンパク質構造最適化装置、タンパク質構造最適化方法、プログラム、および、記録媒体を提供することができる。
【０１２７】
さらに、本発明によれば、抽出した近傍アミノ酸残基群の中にシステイン（ＣＹＳ）が含まれている場合には、当該システイン（ＣＹＳ）とジスルフィド結合をしておりかつ近傍アミノ酸残基群には含まれない別のシステイン（ＣＹＳ）が存在しているか判定し、当該別のシステイン（ＣＹＳ）が存在する場合には当該別のシステイン（ＣＹＳ）も近傍アミノ酸残基群に加えるので、システイン間のジスルフィド結合を考慮して構造最適化を行うことができるタンパク質構造最適化装置、タンパク質構造最適化方法、プログラム、および、記録媒体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本原理を示すフローチャートである。
【図２】本発明が適用される本システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図３】本実施形態における本システムのメイン処理の一例を示すフローチャートである。
【図４】タンパク質の座標データの一例を示す図である。
【図５】本実施形態における切り口に水素原子を付加する場合のキャップ付加処理の一例を示すフローチャートである。
【図６】もとの座標とキャップ置換基を付加した後の座標の概念を示す図である。
【図７】本実施形態における切り口に水素原子を付加する場合のキャップ付加処理の一例を示すフローチャートである。
【図８】もとの座標とキャップ置換基を付加した後の座標の概念を示す図である。
【図９】本実施形態における切り口にメチル基を付加する場合のキャップ付加処理の一例を示すフローチャートである。
【図１０】もとの座標とキャップ置換基を付加した後の座標の概念を示す図である。
【図１１】本実施形態における切り口にメチル基を付加する場合のキャップ付加処理の一例を示すフローチャートである。
【図１２】もとの座標とキャップ置換基を付加した後の座標の概念を示す図である。
【図１３】ＰＤＢ形式データの三文字表記（１８−２０カラムの文字）でアミノ酸種別を判別する場合の概念を説明する図である。
【図１４】アミノ酸残基ｉの水素原子に最適化フラグを設定する場合の一例を示す図である。
【図１５】アミノ酸残基ｉの水素と側鎖原子に最適化フラグを設定する場合の一例を示す図である。
【図１６】ＭＯＰＡＣ２０００の入力ファイルの一例を示す図である。
【図１７】ＭＯＰＡＣ２０００による構造最適化処理の結果を示す出力ファイルの一例を示す図である。
【図１８】従来の最適化手法（ＭＯＺＹＭＥ法＋ＢＦＧＳ法）と本発明の手法により水素構造を最適化した場合の計算結果を示す図である。
【図１９】従来の最適化手法（ＭＯＺＹＭＥ法＋ＢＦＧＳ法）と本発明の手法により側鎖構造を最適化した場合の計算結果を示す図である。
【符号の説明】
１００ タンパク質構造最適化装置
１０２ 制御部
１０２ａ 座標データ取得部
１０２ｂ 近傍アミノ酸残基群抽出部
１０２ｃ キャップ付加部
１０２ｄ 電荷計算部
１０２ｅ 構造最適化部
１０２ｆ 原子座標置換部
１０４ 通信制御インターフェース部
１０６ 記憶部
１０６ａ タンパク質構造情報データベース
１０６ｂ 処理結果ファイル
１０８ 入出力制御インターフェース部
１１２ 入力装置
１１４ 出力装置
２００ 外部システム
３００ ネットワーク
Claims (10)
- タンパク質の座標データを取得する座標データ取得手段と、
上記タンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基から所定の距離内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出する近傍アミノ酸残基群抽出手段と、
上記近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基を付加するキャップ付加手段と、
上記キャップ付加手段により上記キャップ用置換基が付加された上記近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算する電荷計算手段と、
上記キャップ付加手段により上記キャップ用置換基が付加された上記近傍アミノ酸残基群について、上記電荷計算手段により計算された上記電荷を用いて上記特定のアミノ酸残基の原子座標について構造最適化を実行する構造最適化手段と、
上記構造最適化手段にて最適化された上記原子座標を、上記タンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換する原子座標置換手段と、
を備えたことを特徴とするタンパク質構造最適化装置。 - 上記キャップ用置換基は、水素原子（Ｈ）またはメチル基（ＣＨ3）であること、
を特徴とする請求項１に記載のタンパク質構造最適化装置。 - 上記近傍アミノ酸残基群抽出手段は、
抽出した上記近傍アミノ酸残基群の中にシステイン（ＣＹＳ）が含まれている場合には、当該システイン（ＣＹＳ）とジスルフィド結合をしておりかつ上記近傍アミノ酸残基群には含まれない別のシステイン（ＣＹＳ）が存在しているか判定し、当該別のシステイン（ＣＹＳ）が存在する場合には当該別のシステイン（ＣＹＳ）も近傍アミノ酸残基群に加えること、
を特徴とする請求項１または２に記載のタンパク質構造最適化装置。 - タンパク質の座標データを取得する座標データ取得ステップと、
上記タンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基から所定の距離内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出する近傍アミノ酸残基群抽出ステップと、
上記近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基を付加するキャップ付加ステップと、
上記キャップ付加ステップにより上記キャップ用置換基が付加された上記近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算する電荷計算ステップと、
上記キャップ付加ステップにより上記キャップ用置換基が付加された上記近傍アミノ酸残基群について、上記電荷計算ステップにより計算された上記電荷を用いて上記特定のアミノ酸残基の原子座標について構造最適化を実行する構造最適化ステップと、
上記構造最適化ステップにて最適化された上記原子座標を、上記タンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換する原子座標置換ステップと、
を含むことを特徴とするタンパク質構造最適化方法。 - 上記キャップ用置換基は、水素原子（Ｈ）またはメチル基（ＣＨ3）であること、
を特徴とする請求項４に記載のタンパク質構造最適化方法。 - 上記近傍アミノ酸残基群抽出ステップは、
抽出した上記近傍アミノ酸残基群の中にシステイン（ＣＹＳ）が含まれている場合には、当該システイン（ＣＹＳ）とジスルフィド結合をしておりかつ上記近傍アミノ酸残基群には含まれない別のシステイン（ＣＹＳ）が存在しているか判定し、当該別のシステイン（ＣＹＳ）が存在する場合には当該別のシステイン（ＣＹＳ）も近傍アミノ酸残基群に加えること、
を特徴とする請求項４または５に記載のタンパク質構造最適化方法。 - タンパク質の座標データを取得する座標データ取得ステップと、
上記タンパク質の座標データについて、特定のアミノ酸残基から所定の距離内に含まれる近傍アミノ酸残基群の座標を抽出する近傍アミノ酸残基群抽出ステップと、
上記近傍アミノ酸残基群の切り口の部分にキャップ用置換基を付加するキャップ付加ステップと、
上記キャップ付加ステップにより上記キャップ用置換基が付加された上記近傍アミノ酸残基群の全体の電荷を計算する電荷計算ステップと、
上記キャップ付加ステップにより上記キャップ用置換基が付加された上記近傍アミノ酸残基群について、上記電荷計算ステップにより計算された上記電荷を用いて上記特定のアミノ酸残基の原子座標について構造最適化を実行する構造最適化ステップと、
上記構造最適化ステップにて最適化された上記原子座標を、上記タンパク質の座標データ上の対応する原子座標と置換する原子座標置換ステップと、
を含むタンパク質構造最適化方法をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。 - 上記キャップ用置換基は、水素原子（Ｈ）またはメチル基（ＣＨ3）であること、
を特徴とする請求項７に記載のプログラム。 - 上記近傍アミノ酸残基群抽出ステップは、
抽出した上記近傍アミノ酸残基群の中にシステイン（ＣＹＳ）が含まれている場合には、当該システイン（ＣＹＳ）とジスルフィド結合をしておりかつ上記近傍アミノ酸残基群には含まれない別のシステイン（ＣＹＳ）が存在しているか判定し、当該別のシステイン（ＣＹＳ）が存在する場合には当該別のシステイン（ＣＹＳ）も近傍アミノ酸残基群に加えること、
を特徴とする請求項７または８に記載のプログラム。 - 上記請求項７から９のいずれか一つに記載されたプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002371038A JP2004206171A (ja) | 2002-12-20 | 2002-12-20 | タンパク質構造最適化装置、タンパク質構造最適化方法、プログラム、および、記録媒体 |
| US10/516,133 US20050130224A1 (en) | 2002-05-31 | 2003-06-02 | Interaction predicting device |
| PCT/JP2003/006952 WO2003107218A1 (ja) | 2002-05-31 | 2003-06-02 | 相互作用予測装置 |
| EP03733232A EP1510943A4 (en) | 2002-05-31 | 2003-06-02 | INTERACTION PREDICTION DEVICE |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002371038A JP2004206171A (ja) | 2002-12-20 | 2002-12-20 | タンパク質構造最適化装置、タンパク質構造最適化方法、プログラム、および、記録媒体 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| JP (1) | JP2004206171A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100833988B1 (ko) | 2006-10-12 | 2008-05-30 | 포항공과대학교 산학협력단 | 다극자 변형 표현을 이용한 단백질 분자 모양의 표현 방법 |
-
2002
- 2002-12-20 JP JP2002371038A patent/JP2004206171A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100833988B1 (ko) | 2006-10-12 | 2008-05-30 | 포항공과대학교 산학협력단 | 다극자 변형 표현을 이용한 단백질 분자 모양의 표현 방법 |
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