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バイオ分子相互作用シミュレータMIZUHO/BioStation 概要

MIZUHO/BioStationは、フラグメント分子軌道(FMO)法プログラムMIZUHO/ABINIT-MPとその専用プリポストMIZUHO/BioStation Viewerから構成される量子化学計算ソフトウェアです。

みずほ情報総研では、MIZUHO/BioStationの販売から解析コンサルティング、カスタマイズまでのサービスの提供を通じ、創薬、バイオ、材料分野における分子設計を支援いたします。

MIZUHO/BioStationは、これまでに、インフルエンザウイルスの膜表面タンパク質における抗原抗体反応や抗ウイルス薬タミフルの酵素-阻害剤結合、生活習慣病や乳がんにかかわる核内受容体のリガンド結合や転写の分子メカニズム、肺がんの分子標的薬とのドッキング、DNA転写等、さまざまな分子認識における相互作用の解析を行った実績を有しています。 タンパク質、DNAなどの生体高分子への適用はもちろん、今後、ナノ材料分子への適用が期待されています。

図

インフルエンザウイルスタンパク質と
タミフルとの相互作用解析

図

チロシンキナーゼ阻害剤のドッキング解析

MIZUHO/ABINIT-MPは、FMO法に基づく電子状態計算プログラムです。FMO法では、分子や分子の集合体を適当なサイズのフラグメント(断片)に分割し、必要に応じてフラグメントのモノマーからテトラマーまでの分子軌道(MO)計算を行い、分子全体のエネルギーや電子状態を計算します。低分子化合物で成功を収めた分子軌道計算を、精度を落とさずにタンパク質のような巨大分子へ適用することが出来ます。

チャート図

図

MIZUHO/BioStation Viewerは、MIZUHO/ABINIT-MPの入力ファイルの作成やフラグメント分割などのプリ処理から、フラグメント間相互作用エネルギー(IFIE)解析、軌道相互作用解析(CAFI, FILM)などのポスト処理までをサポートします。

  • *「BioStation」、「ABINIT-MP」は、国立大学法人東京大学の登録商標です。

MIZUHO/BioStationの特徴

  • FMO法を用いた大規模分子の電子状態計算および相互作用解析が可能
  • MP2法を始めとする高次電子相関手法が利用可能
  • フラグメント間相互作用、軌道相互作用、電荷分布等、FMO計算結果に対する充実した解析機能を搭載
  • FMO4計算に基づく4体補正まで考慮したフラグメント間相互作用解析が可能
  • IFIEを各エネルギー成分に分解して解析できる「PIEDA」を搭載 [New]
  • フラグメント分割等の入力処理をGUIによりサポート

MIZUHO/BioStationの機能概要

(1)フラグメント分割機能および入力ファイルの作成

MIZUHO/BioStation Viewerでは、FMO計算のためのプリ機能として、タンパク質、DNAの自動分割はもちろん、マニュアル操作による手動分割を行うことができる機能を有しています。フラグメント分割機能は、医薬品候補化合物など、多様な化学構造に対応しており、GUI画面上で作成した構造について、MIZUHO/ABINIT-MPの入力ファイルの作成も行うことができます。


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図)

フラグメント分割処理例 (左:タンパク質、右:結晶-ペプチド吸着系

図

入力パラメータ設定画面

(2)CH/π相互作用解析

イメージ図

CH/π相互作用解析

MIZUHO/BioStation Viewerでは、CHPI プログラム(*)を用いてCH/π相互作用に対する構造解析を行うことができます。タンパク質や、タンパク質ーリガンド複合体の入力構造に対して、分子内や分子間に存在するCH/π相互作用の有無を検索して立体構造画面上に表示することができます。

  • *CHPI プログラムは、微生物化学研究所 梅沢洋二先生、CHPI研究所の西尾元宏先生、および微生物化学研究会によって開発されたソフトウェアです。

(3)フラグメント間相互作用エネルギー(IFIE)解析

MIZUHO/BioStationの大きな特徴として、FMO計算の実行により、IFIEと呼ばれる各フラグメント間の相互作用エネルギー値を得ることが挙げられます。IFIEを用いて、タンパク質と化合物、タンパク質とタンパク質、DNAとタンパク質、等の分子間相互作用を可視化・解析することが可能となります。例えば受容体ータンパク質系では、タンパク質の各アミノ酸残基とリガンドとの相互作用エネルギーを定量的に見積もることにより、ドッキング構造の量子化学的な評価、アミノ酸残基の変異による結合能の変化などリガンドの結合特性を定量的に評価・予測することができます。さらに、網羅的な2体相互作用解析を行うことのできるIFIE mapや、複数の化合物に対する相互作用パターンの抽出と化合物のクラスター分類(VISCANA)など、IFIEに基づいた様々な解析機能を搭載しています。


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IFIEの立体構造表示

IFIEの立体構造表示

IFIE mapによる網羅的解析

IFIE mapによる網羅的解析

VISCANAによる相互作用パターン解析

VISCANAによる相互作用パターン解析

(4)PIEDA解析 [New]

イメージ図
PIEDA主要成分の表示

PIEDAは、北浦-諸熊のエネルギー分割法をFMOに適用し、相互作用エネルギーを各成分(静電項、交換反発項、電荷移動項、分散項)に分解して解析する手法です。タンパク質と医薬品候補化合物との相互作用をデザインする際に、相互作用の性質を理解して論理的な創薬に結びつけることができます。MIZUHO/BioStationでは、PIEDA成分を可視化しながら解析することができます。

(5)軌道相互作用解析(CAFI、FILM)

MIZUHO/BioStation Viewerでは、軌道相互作用解析として、水素結合などにおける電荷移動相互作用の解析ツールCAFI(Configuration Analysis for Fragment Interaction)や、CH/πやπ/πなど分散相互作用の解析ツール、FILM (Fragment interaction based on local MP2)の計算結果に対する可視化解析機能を有しています。この機能を用いることで、エネルギー解析よりも詳細な軌道相互作用を評価することができます。?


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軌道相互作用解析(CAFI)

軌道相互作用解析(CAFI)

軌道相互作用解析(FILM)

軌道相互作用解析(FILM)

(6)グリッドデータ解析

イメージ図

静電ポテンシャルマップ

MIZUHO/BioStationでは、cpf2denモジュールを用いて、分子のグリッドデータを解析することができます。電子密度分布や静電ポテンシャル、フラグメントの分子軌道(MO)などを可視化することが可能です。タンパク質表面の静電ポテンシャルマップなどを描画することができ、静電相互作用による分子認識の解釈などに役立ちます。

ニュース

「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」プロジェクト

  • ABINIT-MP及びBioStaion Viewerは、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」プロジェクト(http://www.ciss.iis.u-tokyo.ac.jp/)において開発されています。
  • 弊社ではABNIT-MP及びBioStation viewrの開発の一部とこれらを用いた応用計算を担当しております。
  • 弊社ではABINIT-MP及びBioStation viewrについて、商用ライセンス契約を結んでおり、MIZUHO/ABINIT-MP及びMIZUHO/BioStation Viewerとして、コンサルティングや受託解析、受託開発などの有償のサービスを提供しております。
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