JPWO2019230303A1 - 分子安定構造の探索方法、分子安定構造の探索プログラム及び分子安定構造の探索装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、分子安定構造の探索装置(以下、単に「探索装置」ともいう)10の構成を示すブロック図である。探索装置10は化合物(対象構造体)から、安定構造(局所安定構造及び最安定構造)を探索する装置であり、コンピュータを用いて実現することができる。図1に示すように、探索装置10は処理部100、記憶部200、表示部300、及び操作部400を備え、互いに接続されて必要な情報が送受信される。これらの構成要素については各種の設置形態を採用することができ、各構成要素が1箇所(1筐体内、1室内等)に設置されていてもよいし、離れた場所に設置されネットワークを介して接続されていてもよい。また、探索装置10はインターネット等のネットワークNWを介して外部サーバ500、及び外部データベース510に接続し、必要に応じて化合物の構造式等の情報を取得することができる。
図2は処理部100の構成を示す図である。処理部100は構造式取得部105、3次元構造発生部110、局所安定構造取得部115、エネルギー取得部120、エネルギー分布関数算出部125、確率分布関数算出部130、出力部135、表示制御部140、CPU145(CPU:Central Processing Unit)、ROM150(ROM:Read Only Memory)、及びRAM155(RAM:Random Access Memory)を備える。また、局所安定構造取得部115は、最安定構造取得部116を備える。
記憶部200はDVD(Digital Versatile Disk)、ハードディスク(Hard Disk)、各種半導体メモリ等の非一時的記録媒体及びその制御部により構成され、図3に示す画像及び情報が記憶される。構造情報205は化合物の構造式を含む。局所安定構造情報210は、構造情報205から発生させた3次元構造の内部座標を変更することで得られる局所安定構造の3次元構造情報(内部座標情報)及びそのエネルギー値の情報を含む。また、確率分布関数から発生させた3次元構造の内部座標を変更することで得られる局所安定構造の3次元構造情報(内部座標情報)及びそのエネルギー値の情報を含む。最安定構造情報215は、局所安定構造の中で最もエネルギーの低い構造である最安定構造の3次元構造情報(内部座標情報)及びそのエネルギー値の情報を含む。エネルギー分布関数情報220は、局所安定構造の1つ内部座標に対して、内部座標に対する局所安定構造のエネルギー(構造エネルギー)の分布を示すエネルギー分布関数を含む。確率分布関数情報225は、1つの内部座標に対して、低エネルギーの内部座標の確率が大きくなる確率分布関数を含む。エネルギー分布関数情報220及び確率分布関数情報225は、化合物を構成する原子の内部座標のそれぞれについて算出エネルギー分布関数及び確率分布関数が含まれる。また、確率分布関数によって発生させた3次元構造から局所安定構造を取得し、得られる局所安定構造の内部座標及びエネルギーをエネルギー分布関数及び確率分布関数に反映させることで、精度の高いエネルギー分布関数及び確率分布関数が得られる。エネルギー分布関数情報220及び確率分布関数情報225は、これらの局所安定構造の内部座標及びエネルギーが反映されたエネルギー分布関数及び確率分布関数も含む。
表示部300はモニタ310(表示装置)を備えており、入力した画像、記憶部200に記憶された画像及び情報、処理部100による処理の結果等を表示することができる。操作部400は入力デバイス及び/又はポインティングデバイスとしてのキーボード410及びマウス420を含んでおり、ユーザーはこれらのデバイス及びモニタ310の画面を介して、本実施形態に係る分子安定構造の探索方法の実行に必要な操作を行うことができる。ユーザーが実行できる操作には、化合物の構造式の入力、確率分布関数算出時の閾値の指定、確率分布関数を用いて三次元構造を発生させる際の閾値の指定等が含まれる。
上述した分子安定構造の探索装置10では、操作部400を介したユーザーの指示に応じて分子安定構造の探索を行うことができる。
図4は、化合物の分子安定構造の探索方法を示すフローチャートである。分子安定構造の探索方法は、まず、化合物の構造式を取得する構造式取得工程(ステップS10)と、構造式の内部座標をランダムに設定した3次元構造を1つ以上発生させる第1の3次元構造発生工程(ステップS12)と、発生させた3次元構造から局所安定構造を得る局所安定構造取得工程(ステップS14)と、局所安定構造のエネルギー(構造エネルギー)の値と、局所安定構造のそれぞれの原子の内部座標と、を求めるエネルギー取得工程(ステップS16)と、目的の構造又は目的の数の局所安定構造又は最安定構造が得られたか否かを判断する工程(ステップS18)と、を有する。
構造式取得工程S10は、ユーザーの操作に応じて、化合物の構造式が入力され、化合物の構造式を取得する工程である。化合物の構造としては、複数のアミノ酸が結合し、分子量が500以上のペプチドを挙げることができる。なお、本実施形態においては、説明を簡略化するため、図5に示すドデカン(C12H26)で説明する。
第1の3次元構造発生工程S12は、構造式取得工程S10で取得した構造式から1つ以上の3次元構造を発生させる工程である。3次元構造は、構造式の内部座標をランダムに設定し、発生させることができる。
d(1、3)、d(2、3)、
d(1、4)、d(2、4)、d(3、4)、
d(2、5)、d(3、5)、d(4、5)、・・・
なお、構造式の3次元化は種々の手法が知られており、第1の3次元工程発生工程S12においては、特に限定されず、行うことができる。
局所安定構造取得工程S14は、第1の3次元構造発生工程S12で得られた3次元構造(立体構造)から局所安定構造を取得する工程である。図7は、立体構造を変化させた時のエネルギーの変化を模式的に示したグラフ図である。図7に示すように、化合物は、立体構造を変更することで、エネルギーの値が変化する。
エネルギー取得工程S16は、局所安定構造取得工程S14で得られた局所安定構造のエネルギーの値と、それぞれのC−C−C−C二面角の角度と、を取得する工程である。エネルギー取得工程S16は、取得した局所安定構造から、エネルギーの値、各二面角の角度を求めてもよいが、上記の局所安定構造取得工程S14の工程を行うことで、取得することができる。
判断工程S18は、目的の構造又は目的の数の局所安定構造又は最安定構造が得られたか否かを判断する工程である。本実施形態においては、最安定構造の取得、又は、3次元構造の異なる複数の局所安定構造の取得を目的としている。したがって、目的の構造(最安定構造)が得られている、目的の数の最安定構造が得られている、又は、目的の数の局所安定構造が得られている等、局所安定構造の取得が必要ないと判断した場合、最安定構造及び局所安定構造を出力する(出力工程)。
エネルギー分布関数算出工程S20は、二面角φの角度に対するエネルギーの分布を示すエネルギー分布関数E(φ)を算出する工程である。エネルギー分布関数E(φ)は、それぞれの二面角について算出する。図10は、ドデカンにおける一方の端部から3つの二面角について、二面角の角度に対するエネルギーの値をプロットした図である。局所安定構造は1つ得られているので、その局所安定構造が有する二面角の位置にエネルギーのピークが存在する。なお、図10では、3つの二面角のグラフを示しているが、全ての二面角(ドデカンの場合は9個)について、エネルギー分布関数E(φ)を算出する。また、本実施形態においては、1つの二面角に対して、1次元のエネルギー分布関数を算出しているが、複数の二面角に対して多次元のエネルギー分布関数を算出してもよい。
確率分布関数算出工程S22は、エネルギー分布関数E(φ)から低エネルギーの二面角の角度の確率が大きくなる確率分布関数p(φ)を算出する工程である。
第2の3次元構造発生工程S24は、確率分布関数算出工程S22で算出いた確率分布関数に基づいて、新しい3次元構造の内部座標を決定し、1つ以上の3次元構造を発生させる工程である。
第2の3次元構造発生工程S24で、1つ以上の3次元構造を発生させた後、局所安定構造取得工程S14に戻り、同様の方法で局所安定構造を取得する。また、エネルギー取得工程S16で、取得した局所安定構造のエネルギーの値と、それぞれの二面角の角度を取得する。例えば、今回得られた局所安定構造の例として、図15に示す立体構造が得られたとする。また、この局所安定構造のエネルギーは、−63.2096kcal/molであった。
上記の繰り返し工程を繰り返すことで、判断工程S18で、目的の数の局所安定構造が得られたと判断した場合、最安定構造が得られたと判断した場合、又は、目的の数の最安定構造が得られたと判断した場合、出力工程S26により、得られた局所安定構造、又は、最安定構造を出力する。エネルギーの最も低い最安定構造が、薬剤の効果、又は、膜透過性の観点で好ましいと考えられるが、他の観点、例えば、製剤化が困難である等により、薬として使用できない場合のことも考慮し、局所安定構造も出力しておくことが好ましい。また、エネルギーの低い3次元構造の特徴を把握することができ、今後の安定構造の探索に役立てることができる。
以上説明したように、分子安定構造の探索装置10では、本実施形態に係る分子安定構造の探索方法及び分子安定構造探索プログラムを用いて、化合物の構造式の局所安定構造及び最安定構造を短時間で、かつ、高い精度で探索することができる。
100 処理部
105 構造式取得部
110 3次元構造発生部
115 局所安定構造取得部
116 最安定構造取得部
120 エネルギー取得部
125 分布関数算出部
130 確率分布関数算出部
135 出力部
140 表示制御部
145 CPU
150 ROM
155 RAM
200 記憶部
205 構造情報
210 局所安定構造情報
215 最安定構造情報
220 エネルギー分布関数情報
225 確率分布関数情報
300 表示部
310 モニタ
400 操作部
410 キーボード
420 マウス
500 外部サーバ
510 外部データベース
600 原子
NW ネットワーク
記憶部200はDVD(Digital Versatile Disk)、ハードディスク(Hard Disk)、各種半導体メモリ等の非一時的記録媒体及びその制御部により構成され、図3に示す画像及び情報が記憶される。構造情報205は化合物の構造式を含む。局所安定構造情報210は、構造情報205から発生させた3次元構造の内部座標を変更することで得られる局所安定構造の3次元構造情報(内部座標情報)及びそのエネルギー値の情報を含む。また、確率分布関数から発生させた3次元構造の内部座標を変更することで得られる局所安定構造の3次元構造情報(内部座標情報)及びそのエネルギー値の情報を含む。最安定構造情報215は、局所安定構造の中で最もエネルギーの低い構造である最安定構造の3次元構造情報(内部座標情報)及びそのエネルギー値の情報を含む。エネルギー分布関数情報220は、局所安定構造の1つ内部座標に対して、内部座標に対する局所安定構造のエネルギー(構造エネルギー)の分布を示すエネルギー分布関数を含む。確率分布関数情報225は、1つの内部座標に対して、低エネルギーの内部座標の確率が大きくなる確率分布関数を含む。エネルギー分布関数情報220及び確率分布関数情報225は、化合物を構成する原子の内部座標のそれぞれについて算出されたエネルギー分布関数及び確率分布関数が含まれる。また、確率分布関数によって発生させた3次元構造から局所安定構造を取得し、得られる局所安定構造の内部座標及びエネルギーをエネルギー分布関数及び確率分布関数に反映させることで、精度の高いエネルギー分布関数及び確率分布関数が得られる。エネルギー分布関数情報220及び確率分布関数情報225は、これらの局所安定構造の内部座標及びエネルギーが反映されたエネルギー分布関数及び確率分布関数も含む。
d(1、3)、d(2、3)、
d(1、4)、d(2、4)、d(3、4)、
d(2、5)、d(3、5)、d(4、5)、・・・
なお、構造式の3次元化は種々の手法が知られており、第1の3次元構造発生工程S12においては、特に限定されず、行うことができる。
100 処理部
105 構造式取得部
110 3次元構造発生部
115 局所安定構造取得部
116 最安定構造取得部
120 エネルギー取得部
125 エネルギー分布関数算出部
130 確率分布関数算出部
135 出力部
140 表示制御部
145 CPU
150 ROM
155 RAM
200 記憶部
205 構造情報
210 局所安定構造情報
215 最安定構造情報
220 エネルギー分布関数情報
225 確率分布関数情報
300 表示部
310 モニタ
400 操作部
410 キーボード
420 マウス
500 外部サーバ
510 外部データベース
600 原子
NW ネットワーク
Claims (10)
- 化合物の構造式を取得する構造式取得工程と、
前記構造式の内部座標をランダムに設定した3次元構造を1つ以上発生させる第1の3次元構造発生工程と、
前記3次元構造の内部座標を変更し、エネルギーの低い構造である局所安定構造を得る局所安定構造取得工程と、
前記局所安定構造の内部座標と、前記内部座標における局所安定構造のエネルギーと、を求めるエネルギー取得工程と、
前記化合物を構成する1つ又は複数の内部座標ごとに算出される1次元又は多次元のエネルギー分布関数であって、前記局所安定構造の内部座標に対し、前記局所安定構造のエネルギーの分布を示すエネルギー分布関数を算出するエネルギー分布関数算出工程と、
前記エネルギー分布関数から、低エネルギーの内部座標の確率が大きくなる確率分布関数を算出する確率分布関数算出工程と、
前記確率分布関数に基づいて1つ以上の内部座標を同時に変更し、決定した内部座標を用いて3次元構造を1つ以上発生させる第2の3次元構造発生工程と、
前記第2の3次元構造発生工程で発生させた前記3次元構造を用いて、前記局所安定構造取得工程、前記エネルギー取得工程、前記エネルギー分布関数算出工程、前記確率分布関数算出工程、及び、前記第2の3次元構造発生工程、を繰り返す繰り返し工程と、
前記局所安定構造取得工程で得られた複数の局所安定構造、及び、前記複数の局所安定構造から、エネルギーが最も低い構造の少なくともいずれかを出力する出力工程と、
を有する分子安定構造の探索方法。 - 前記局所安定構造は、前記3次元構造の内部座標をエネルギーが低くなる方向に変更していき、それ以上エネルギーを低くできない内部座標の構造である請求項1に記載の分子安定構造の探索方法。
- 前記内部座標が、4つの原子の座標により求められる二面角により決定される請求項1又は2に記載の分子安定構造の探索方法。
- 前記エネルギー分布関数算出工程は、前記化合物の取り得る前記二面角の全てにおいて行う請求項3に記載の分子安定構造の探索方法。
- 前記確率分布関数算出工程において、前記確率分布関数に、計算を加速するための関数を加算する請求項1から4のいずれか1項に記載の分子安定構造の探索方法。
- 前記第2の3次元構造発生工程は、乱数を発生させ、乱数に基づいて、最も確率分布強度の高い内部座標を選択する、または、確率分布関数により内部座標を決定する、のいずれかを選択し、前記3次元構造を発生させる請求項1から5のいずれか1項に記載の分子安定構造の探索方法。
- 請求項1から6のいずれか1項に記載の分子安定構造の探索方法をコンピュータに実行させる分子安定構造の探索プログラム。
- 非一時的かつコンピュータ読取可能な記録媒体であって、前記記録媒体に格納された指令がコンピュータによって読み取られた場合に請求項7に記載のプログラムをコンピュータに実行させる記録媒体。
- 化合物の構造式を取得する構造式取得部と、
3次元構造を1つ以上発生させる3次元構造発生部と、
前記3次元構造の内部座標を変更し、エネルギーの低い構造である局所安定構造を得る局所安定構造取得部と、
前記局所安定構造の内部座標と、前記内部座標における局所安定構造のエネルギーと、を求めるエネルギー取得部と、
前記化合物を構成するそれぞれの原子の内部座標ごとに算出されるエネルギー分布関数であって、前記局所安定構造の内部座標に対し、前記局所安定構造のエネルギーの分布を示すエネルギー分布関数を算出するエネルギー分布関数算出部と、
前記エネルギー分布関数から、低エネルギーの内部座標の確率が大きくなる確率分布関数を算出する確率分布関数算出部と、
前記局所安定構造を出力する出力部と、を有し、
前記3次元構造発生部は、取得した前記化合物の構造式、又は、前記確率分布関数に基づいて3次元構造を発生させる分子安定構造の探索装置。 - 前記局所安定構造取得部で得られた前記局所安定構造の中から、最もエネルギーの低い構造を取得する最安定構造取得部を有する請求項9に記載の分子安定構造の探索装置。
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