[論文レビュー] Free-Energy Calculations in Protein Folding by Generalized-Ensemble Algorithms

Y. Sugita, Y. Okamoto|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2001

Protein Structure and Dynamics被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、タンパク質折りたたみにおける自由エネルギー計算の精度を向上させるために、2つの高度な一般化集合アルゴリズム—リピカ交換マルチカノニカル法（REMUCA）と多次元リピカ交換アンバレルサーフェイキング（REUS）—を導入する。リピカ交換の効率性とマルチカノニカル法の広範なサンプリング能力を統合することで、複雑なエネルギー障壁を克服し、広い温度および反応座標空間において平坦なエネルギー分布と正確な自由エネルギー分布を実現する。

ABSTRACT

We review uses of the generalized-ensemble algorithms for free-energy calculations in protein folding. Two of the well-known methods are multicanonical algorithm and replica-exchange method; the latter is also referred to as parallel tempering. We present a new generalized-ensemble algorithm that combines the merits of the two methods; it is referred to as the replica-exchange multicanonical algorithm. We also give a multidimensional extension of the replica-exchange method. Its realization as an umbrella sampling method, which we refer to as the replica-exchange umbrella sampling, is a powerful algorithm that can give free energy in wide reaction coordinate space.

研究の動機と目的

• タンパク質折りたたみの従来のモンテカルロ法および分子動力学シミュレーションにおけるサンプリング不足の課題に対処する。
• ポテンシャルエネルギー障壁によるトラップを回避し、エネルギー障壁をランダムウォークで横断できるようにする。
• リピカ交換とマルチカノニカル法を統合することで、自由エネルギー計算の精度と効率を向上させる。
• 溶解状態を含む広い反応座標空間における自由エネルギーの体系的プロファイル作成を可能にする。
• リピカ交換シミュレーションを用いて、マルチカノニカルサンプリングのための堅牢で自動化された重み係数決定法を開発する。

提案手法

• リピカ交換マルチカノニカル法（REMUCA）を提案し、最適なマルチカノニカル重み係数をWHAMを用いて短時間のリピカ交換シミュレーションから決定する。
• 重み付きヒストグラム分析法（WHAM）を用いて、リピカ交換データからマルチカノニカル重み係数を抽出し、反復的チューニングを回避する。
• 温度とポテンシャルエネルギーのパラメータの両方を交換可能な多次元リピカ交換法（MREM）を導入する。
• MREMにバイアスポテンシャルのパラメータ交換を追加することで、新規なアンバレルサーフェイキングの変種—リピカ交換アンバレルサーフェイキング（REUS）—を実現する。
• 決定されたマルチカノニカル重み係数を用いて、広範かつ平坦なエネルギー分布を達成するための長時間の生産走行を実施する。
• 単一および複数のヒストグラムリウェイトリング技術を用いて、1つのシミュレーションから得たデータを用いて、さまざまな温度におけるカノニカル集合平均を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リピカ交換が反復的チューニングを要せず、マルチカノニカル重み係数を効率的に決定できるか？
• RQ2 リピカ交換とマルチカノニカルサンプリングの組み合わせがタンパク質折りたたみシミュレーションにおけるサンプリング効率を向上させられるか？
• RQ3 多次元リピカ交換法は、温度交換を超えて、リピカ交換の適用範囲をどの程度拡大できるか？
• RQ4 リピカ交換アンバレルサーフェイキング法は、ガス相および溶解状態のペプチドにおいて、複雑で粗いエネルギー障壁をどの程度効率的にサンプリングできるか？
• RQ5 自由エネルギー分布から明らかになるように、溶媒和がタンパク質エネルギー障壁の粗さに及ぼす影響は何か？

主な発見

• リピカ交換マルチカノニカル法（REMUCA）は、反復的重み最適化を必要とせず、1回の短時間のリピカ交換シミュレーションからマルチカノニカル重み係数を正確に決定できた。
• 水溶液中でのメチオネインエンドフェリンのシミュレーションで、2,500 kcal/molのエネルギー範囲にわたる平坦な確率分布が達成され、エネルギー障壁全体にわたる広範なサンプリングが確認された。
• REMUCAと従来のマルチカノニカル法を用いて計算されたポテンシャルエネルギーのカノニカル集合平均は完全に一致しており、本手法の正確性が検証された。
• 水溶液中におけるメチオネインエンドフェリンのエネルギー障壁は、ガス相と比較して著しく滑らかであり、300 Kにおける二面角分布は広範かつぼんやりとしていた。
• リピカ交換アンバレルサーフェイキング（REUS）は、パラメータ交換と強化サンプリングを組み合わせることで、広い反応座標空間における自由エネルギー計算を効率的に行える。
• 最適化された重み係数を用いた1回のシミュレーションランで、200 K から 1000 K の温度範囲にわたる信頼性のある自由エネルギー分布が得られた。