[論文レビュー] A Finite Element framework for computation of protein normal modes and mechanical response

Mark Bathe|ArXiv.org|Apr 4, 2007

Protein Structure and Dynamics参考文献 72被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、タンパク質を溶媒に露出しない表面を用いて、均質で等方的な弾性体としてモデル化する有限要素（FE）フレームワークを提示する。このフレームワークにより、変動する空間分解能で通常モードおよび機械的応答を計算可能となる。この手法は、すべての原子レベルの通常モード解析や実験と同等の精度を達成しており、静電的効果を含む原子レベルの相互作用の組み込みも可能である。

ABSTRACT

A coarse-grained computational procedure based on the Finite Element Method is proposed to calculate the normal modes and mechanical response of proteins and their supramolecular assemblies. Motivated by the elastic network model, proteins are modeled as homogeneous isotropic elastic solids with volume defined by their solvent-excluded surface. The discretized Finite Element representation is obtained using a surface simplification algorithm that facilitates the generation of models of arbitrary prescribed spatial resolution. The procedure is applied to compute the normal modes of a mutant of T4 phage lysozyme and of filamentous actin, as well as the critical Euler buckling load of the latter when subject to axial compression. Results compare favorably with all-atom normal mode analysis, the Rotation Translation Blocks procedure, and experiment. The proposed methodology establishes a computational framework for the calculation of protein mechanical response that facilitates the incorporation of specific atomic-level interactions into the model, including aqueous-electrolyte-mediated electrostatic effects. The procedure is equally applicable to proteins with known atomic coordinates as it is to electron density maps of proteins, protein complexes, and supramolecular assemblies of unknown atomic structure.

研究の動機と目的

• タンパク質の通常モードおよび機械的挙動を予測する粗粒化計算フレームワークの開発。
• タンパク質およびスーパーマルチ分子アセンブリのモデリングを、その原子構造が既知でない場合でも可能にする。
• 水中電解質を介した静電的効果を含む、特定の原子レベルの相互作用を機械的応答予測に統合する。
• 表面簡略化とFE離散化を用いた、柔軟で分解能適応型のタンパク質力学の研究手法を提供する。
• すべての原子レベルの通常モード解析、回転移動ブロック法、および実験データとの比較を通じて、手法の妥当性を検証する。

提案手法

• タンパク質は、溶媒に露出しない表面によって定義される均質で等方的な弾性体としてモデル化される。
• 表面簡略化アルゴリズムにより、任意の空間分解能での離散化された有限要素メッシュが生成される。
• 有限要素式により、振動通常モードおよび軸方向圧縮下での機械的座屈荷重が解かれる。
• 手法はT4バキュールリソゾイム（変異株）およびフィラメント状アクチンに適用され、すべての原子レベルおよび実験的ベンチマークと比較された。
• 静電的効果は、FEフレームワーク内での連続体静電モデルを介して組み込まれる。
• 本手法は、原子座標に基づくモデルおよび原子構造が不明な低分解能の電子密度マップの両方に対応可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粗粒化弾性モデルを用いた有限要素フレームワークは、タンパク質の通常モードを正確に計算できるか？
• RQ2 軸方向圧縮下におけるフィラメント状アクチンの機械的応答は、実験的およびすべての原子レベルの予測とどのように比較されるか？
• RQ3 タンパク質の連続体弾性モデルに、静電的相互作用を含む原子レベルの相互作用をどの程度統合できるか？
• RQ4 原子座標が入手不可能な場合に、電子密度マップからの機械的挙動予測は信頼性があるか？
• RQ5 FEメッシュの分解能は、通常モードおよび座屈荷重予測の精度にどのように影響するか？

主な発見

• 有限要素フレームワークは、T4バキュールリソゾイム変異株の通常モードを良好に計算し、すべての原子レベルの通常モード解析と一致した。
• フィラメント状アクチンの予測された臨界オイラー座屈荷重は、実験測定値およびすべての原子レベルの結果と一致した。
• 両方のタンパク質系において、回転移動ブロック手順との比較においても良好な一致が得られた。
• 表面簡略化により、ユーザーが定義した空間分解能でのメッシュ生成が可能となり、マルチスケールモデリングが可能になった。
• 連続体モデルによる静電的効果の直接的組み込みが可能であり、物理的現実性が向上した。
• 原子座標に基づくモデルおよび原子構造が不明な電子密度マップの両方に対して、本手法は頑健である。