Rosettaのエネルギー関数まとめ

論文タイトル

The Rosetta All-Atom Energy Function for Macromolecular Modeling and Design

出典

J Chem Theory Comput. 2017 Jun 13;13(6):3031-3048.

The Rosetta All-Atom Energy Function for Macromolecular Modeling and Design - PubMed

Over the past decade, the Rosetta biomolecular modeling suite has informed diverse biological questions and engineering challenges ranging from interpretation o...

確認したいこと

Rosettaの使い方を学習できるコンテンツを作成したいと思い、Rosettaの仕組みについて勉強中。

要旨

Rosettaで使用されるエネルギー関数において参照される、各エネルギー項の算出式を主に解説した論文です。

解説など

タンパク質のモデリングやデザインにおいては、標的タンパク質の安定性を評価するために安定化エネルギーの算出が必要です。タンパク質のモデリング・デザインツールとして一般的なRosettaにおいても、その値を求めるエネルギー関数が用意されています。

本論文では、Rosettaで使用されるエネルギー関数について詳説しています。

エネルギー関数は、物理学的な現象と紐づく、様々なエネルギー項の線形結合で表されます。

E = ΣwiEi

Eiがエネルギー項（van der Waals相互作用、静電相互作用）、wiがそれぞれのEiにかかる重み因子です。したがって、各Eiの中身を知ることで、Rosettaで使用されるエネルギー関数を理解することができます。各エネルギー項は下記のリストのとおりです。本論文の前半の章・節も、こちらの順番に従っています。

原子間相互作用に基づくエネルギー項

E_rep: van der Waals 斥力相互作用
E_atr: van der Waals 引力相互作用
E_{fa_elec}: 静電相互作用
E_{fa_sol}: 等方性の溶媒和（水分子が原子の周りに均一に分布していると仮定）
E_{lk_ball_wtd}: 違法性の溶媒和（極性原子の近くに存在する水の効果を特別視）
E_hbond: 水素結合
E_{dslf_fal3}: ジスルフィド結合

主鎖・側鎖のねじれ角に基づくエネルギー項

E_{rama_pre_pro}: Ramachandran
E_{p_aa_pp}: 主鎖デザイン
E_{fa_dum}: 側鎖の構造

特殊な状況下のねじれ角に基づくエネルギー項

E_omega: ペプチド結合における2面角
E_{pro_close}: プロリン側鎖
E_{yhh_planarity}: チロシン

理想的でない結合長・結合角に基づくエネルギー項

E_{cart_length}: 結合長
E_{cart_angle}: 結合角
E_{cart_torsion}: ねじれ角

タンパク質デザイン時に必要なエネルギー項

E_ref: 非フォールディング状態のエネルギー

各エネルギー項は物理化学に基づくモデルをもとにしていますが、変数の変化による急激な値の増減を緩和するために、変数（原子間距離）の値をもとに、場合分けして、別々の関数が使用されているのが特徴的でした。

各エネルギー項にかかる重み因子の値は、経験的に算出されており、Nelder-Meadスキームを利用して最適化されているとのこと。Rosettaのデフォルトのエネルギー関数としては、REF2015が知られており、固有の重みが割り当てられています。

ロゼッタでは、エネルギーの単位として、Rosetta energy unit (REU)が用いられます。これは、E_{rama_pre_pro}、E_{p_aa_pp}など、統計的に算出されたポテンシャルエネルギーと物理学的に導出されたエネルギー項とを同列に扱う必要があるためです。実際には、検証の結果REUとkcal/molは、ほぼ一致するとのことですので、一つの指標として頭に入れておいた方がよいでしょう。