ホタル生物発光の量子化学計算：Gaussian を使った ONIOM TD-DFT 計算

ホタルの生物発光 では、その発光色がどのように決まるのかについて、実験および理論の両面から、さまざまな研究が行われています
2010 年に Roland Lindh らが発表した論文は、ホタル生物発光の量子化学計算に取り組むときのお手本としてオススメです
- この論文では、ゲンジボタルのルシフェラーゼ（発光酵素）とルシフェリン（発光基質）の複合体をモデル化して、QM/MM 法 と CASSCF/CASPT2 という手法を組み合わせることで、生物発光の発光色が決まるメカニズムを理論的に解析しています
このノートでは、Lindh らの論文をお手本にしながら、代表的な量子化学計算アプリ Gaussian を使って、ONIOM 法 と TD-DFT 法 の組み合わせで、ホタル生物発光の量子化学計算を行う手順をまとめてみます

はじめに

略語

発光酵素：ゲンジボタルルシフェラーゼ (Luciola cruciata luciferase; LUC)
発光基質：オキシルシフェリン (Oxyluciferin; OLU)
補酵素：アデノシン一リン酸 (Adenosine monophosphate; AMP)

方針

Nakatsu (2006) 論文で報告されている複合体構造 (PDB ID: 2D1S ) を使います
- この構造では、発光基質アナログ (DLSA) が結合しています

DLSA

今回は、LUC + OLU + AMP 複合体について、水和させた後、OLU を QM 領域、LUC と AMP を MM 領域に設定した ONIOM モデルをつくります
- DLSA を OLU + AMP に置き換えます
- 構造データに含まれる水分子は除去せず、その周りに水分子を追加します

手順

まずは準備として、OLU と AMP の力場ファイルを準備します
次に、LUC に OLU と AMP が結合した複合体の構造データを作成します
Amber を用いて、複合体に水分子を追加した水和構造を準備します
Gaussian を使って、ホタル生物発光の量子化学計算を行います

準備

OLU と AMP の力場ファイル

OLU

OLU の力場ファイルは、こちらからダウンロードできます

[open] [close] OLU の力場ファイルの作り方はこちら

立体構造の準備

Protein Data Bank (PDB) から、OLU と LuLuc の複合体である 2D1R の構造データをダウンロードします

wget https://files.rcsb.org/download/2D1R.pdb

この構造データに含まれる OLU の立体構造を抽出します

grep "HETATM .* OLU " 2D1R.pdb > OLU_noH.pdb

水素原子を追加した後、HETATM レコードの部分を抽出します
- ここでは、 Open Babel (obabel) を使っています

obabel OLU_noH.pdb -O OLU_H.pdb -h; grep "HETATM" OLU_H.pdb > OLU.pdb

出力された構造データを確認してみましょう

OLU.pdb

HETATM    1  O6' OLU A2001      16.670  26.100  10.887  1.00  0.00           O
HETATM    2  C4' OLU A2001      16.429  25.049  10.303  1.00  0.00           C
HETATM    3  N3' OLU A2001      17.314  24.123   9.956  1.00  0.00           N
HETATM    4  C2' OLU A2001      16.764  23.072   9.331  1.00  0.00           C
HETATM    5  S1' OLU A2001      15.145  23.066   9.100  1.00  0.00           S
HETATM    6  C5' OLU A2001      15.028  24.679   9.909  1.00  0.00           C
HETATM    7  C2  OLU A2001      17.572  21.905   8.870  1.00  0.00           C
HETATM    8  S1  OLU A2001      19.260  22.005   9.098  1.00  0.00           S
HETATM    9  C5  OLU A2001      19.363  20.481   8.469  1.00  0.00           C
HETATM   10  C6  OLU A2001      20.526  19.726   8.302  1.00  0.00           C
HETATM   11  C4  OLU A2001      18.079  19.867   8.068  1.00  0.00           C
HETATM   12  N3  OLU A2001      17.122  20.761   8.333  1.00  0.00           N
HETATM   13  C9  OLU A2001      18.054  18.591   7.519  1.00  0.00           C
HETATM   14  C8  OLU A2001      19.241  17.879   7.363  1.00  0.00           C
HETATM   15  C7  OLU A2001      20.463  18.435   7.744  1.00  0.00           C
HETATM   16  O7  OLU A2001      21.598  17.690   7.564  1.00  0.00           O
HETATM   17  H   OLU A2001      14.403  24.616  10.775  1.00  0.00           H
HETATM   18  H   OLU A2001      14.598  25.412   9.259  1.00  0.00           H
HETATM   19  H   OLU A2001      21.437  20.117   8.589  1.00  0.00           H
HETATM   20  H   OLU A2001      17.157  18.171   7.227  1.00  0.00           H
HETATM   21  H   OLU A2001      19.216  16.929   6.961  1.00  0.00           H
HETATM   22  H   OLU A2001      21.541  16.832   7.191  1.00  0.00           H

オキシ体は、ヒドロキシル (-OH) 基のプロトン（H+）が取れた状態です
- 今回の場合、該当するのは最後（22 番目）の原子ですね
この原子を削除して、新しい構造データを作成します
- ここでは sed コマンドを使いますが、エディタで修正してもオーケー

sed -i '22d' OLU.pdb

OLU_H.pdb

HETATM    1  O6' OLU A2001      16.670  26.100  10.887  1.00  0.00           O
HETATM    2  C4' OLU A2001      16.429  25.049  10.303  1.00  0.00           C
HETATM    3  N3' OLU A2001      17.314  24.123   9.956  1.00  0.00           N
HETATM    4  C2' OLU A2001      16.764  23.072   9.331  1.00  0.00           C
HETATM    5  S1' OLU A2001      15.145  23.066   9.100  1.00  0.00           S
HETATM    6  C5' OLU A2001      15.028  24.679   9.909  1.00  0.00           C
HETATM    7  C2  OLU A2001      17.572  21.905   8.870  1.00  0.00           C
HETATM    8  S1  OLU A2001      19.260  22.005   9.098  1.00  0.00           S
HETATM    9  C5  OLU A2001      19.363  20.481   8.469  1.00  0.00           C
HETATM   10  C6  OLU A2001      20.526  19.726   8.302  1.00  0.00           C
HETATM   11  C4  OLU A2001      18.079  19.867   8.068  1.00  0.00           C
HETATM   12  N3  OLU A2001      17.122  20.761   8.333  1.00  0.00           N
HETATM   13  C9  OLU A2001      18.054  18.591   7.519  1.00  0.00           C
HETATM   14  C8  OLU A2001      19.241  17.879   7.363  1.00  0.00           C
HETATM   15  C7  OLU A2001      20.463  18.435   7.744  1.00  0.00           C
HETATM   16  O7  OLU A2001      21.598  17.690   7.564  1.00  0.00           O
HETATM   17  H   OLU A2001      14.403  24.616  10.775  1.00  0.00           H
HETATM   18  H   OLU A2001      14.598  25.412   9.259  1.00  0.00           H
HETATM   19  H   OLU A2001      21.437  20.117   8.589  1.00  0.00           H
HETATM   20  H   OLU A2001      17.157  18.171   7.227  1.00  0.00           H
HETATM   21  H   OLU A2001      19.216  16.929   6.961  1.00  0.00           H

この PDB 形式の構造データを、xyz 座標形式に変換します

obabel OLU.pdb -O OLU.xyz

OLU.xyz

21
OLU_new.pdb
O         16.67000       26.10000       10.88700
C         16.42900       25.04900       10.30300
N         17.31400       24.12300        9.95600
C         16.76400       23.07200        9.33100
S         15.14500       23.06600        9.10000
C         15.02800       24.67900        9.90900
C         17.57200       21.90500        8.87000
S         19.26000       22.00500        9.09800
C         19.36300       20.48100        8.46900
C         20.52600       19.72600        8.30200
C         18.07900       19.86700        8.06800
N         17.12200       20.76100        8.33300
C         18.05400       18.59100        7.51900
C         19.24100       17.87900        7.36300
C         20.46300       18.43500        7.74400
O         21.59800       17.69000        7.56400
H         14.40300       24.61600       10.77500
H         14.59800       25.41200        9.25900
H         21.43700       20.11700        8.58900
H         17.15700       18.17100        7.22700
H         19.21600       16.92900        6.96100

量子化学計算

次に、準備した立体構造をもとに Gaussian を用いて OLU の構造最適化をおこない、この分子の部分電荷を推定します
それでは、Gaussian の入力ファイルを作成しましょう
- OLU はプロトンが外れた状態なので、電荷が -1 であることに注意
- 部分電荷の推定には、 Merz-Kollman 法を使います

gau.gjf

%Chk=gau.chk
#P B3LYP/6-31G(d) Opt=Tight

OLU

-1 1
O         16.67000       26.10000       10.88700
C         16.42900       25.04900       10.30300
N         17.31400       24.12300        9.95600
C         16.76400       23.07200        9.33100
S         15.14500       23.06600        9.10000
C         15.02800       24.67900        9.90900
C         17.57200       21.90500        8.87000
S         19.26000       22.00500        9.09800
C         19.36300       20.48100        8.46900
C         20.52600       19.72600        8.30200
C         18.07900       19.86700        8.06800
N         17.12200       20.76100        8.33300
C         18.05400       18.59100        7.51900
C         19.24100       17.87900        7.36300
C         20.46300       18.43500        7.74400
O         21.59800       17.69000        7.56400
H         14.40300       24.61600       10.77500
H         14.59800       25.41200        9.25900
H         21.43700       20.11700        8.58900
H         17.15700       18.17100        7.22700
H         19.21600       16.92900        6.96100

--Link1--
%Chk=gau.chk
#P B3LYP/6-31G(d) Geom=AllCheck Guess=(Read,Only) SCF=Tight
   Pop=(Minimal,MK) IOp(6/33=2,6/41=10,6/42=17)

上記の入力ファイルを使って、Gaussian を実行します

g16 < gau.gjf > gau.out

分子研スパコンを使って計算する場合には、上記ではなく、g16subコマンドを使います

g16sub gau.gjf

計算が正常に終了したら、出力ファイル（gau.out）とチェックポイントファイル（gau.chk）ができているはずです
念のため、出力ファイルから最適化された構造を確認してみましょう

obabel gau.out -O gau.xyz

gau.xyz

21
gau.out
O          4.89521       -1.52340        0.00000
C          3.97284       -0.72218        0.00000
N          2.63106       -1.03234        0.00000
C          1.84775        0.02257       -0.00001
S          2.64426        1.65053       -0.00000
C          4.25767        0.80878        0.00001
C          0.43879       -0.02536       -0.00001
S         -0.45487       -1.58129       -0.00000
C         -1.96541       -0.66923       -0.00000
C         -3.25948       -1.12373       -0.00000
C         -1.64011        0.74079       -0.00000
N         -0.33733        1.05210       -0.00001
C         -2.71224        1.68338        0.00000
C         -4.00336        1.24454        0.00000
C         -4.37000       -0.18246        0.00000
O         -5.56600       -0.54524        0.00001
H          4.84369        1.06774       -0.88677
H          4.84367        1.06774        0.88680
H         -3.50610       -2.18147       -0.00000
H         -2.46402        2.74251        0.00000
H         -4.83608        1.94387        0.00000

gau.xyz

力場の作成

量子化学計算で得られた結果をもとに、Amber の antechamberツールを使って、OLU の力場をつくります
一連の操作をまとめたスクリプト（antechamber.sh）を準備しました

antechamber.sh
#!/bin/sh

lig=${1}
chg=${2}

echo Step 1:
# Generate an Antechamber file amb.ac from Gaussian output file gau.out
antechamber -fi gout -i gau.out -fo ac -o amb.ac -c resp -rn ${lig} -pf y

echo Step 2:
# Extract resp charge to a charge file amb.crg from amb.ac
antechamber -fi ac -i amb.ac -c wc -cf amb.crg -rn ${lig}

echo Step 3:
# Read in amb.crg and gau.pdb and generate an Anthechamber file amb.ac
antechamber -fi pdb -i ${lig}.pdb -fo ac -o amb.ac -c rc -cf amb.crg -nc ${chg} -rn ${lig} -pf y

echo Step 4:
# Judge the atom type using "atomtype". In this case, gaff atom type
# is generated amb.ac
atomtype -i amb.ac -o amb.ac -p gaff

echo Step 5:
# Generate residue topology file amb.prep using "prepgen". In this case
# a cartesian prep input file is generated with format tag (-f) of "car"
prepgen -i amb.ac -o amb.prep -f car -rn ${lig}

echo Step 6:
# Use parmchk to check the missing force field parameters and generate
# additional force field parameter file (frcmod) amb.frcmod
parmchk2 -i amb.prep -f prepc -o amb.frcmod

mv NEWPDB.PDB ${lig}.pdb
mv amb.prep   ${lig}.prep
mv amb.frcmod ${lig}.frcmod
rm ATOMTYPE.INF PREP.INF QOUT esout punch qout amb.ac amb.crg

分子研のスパコンを使う場合には、Amber の環境を moduleコマンドで読み込んでから、上記のスクリプトを実行します

module load amber

antechamber.sh スクリプトを実行します
- １つめの引数は、リガンドの名前であり、今回は OLU にします
- ２つめの引数は、電荷の設定であり、OLU の場合は -1 です

sh antechamber.sh OLU -1 | tee antechamber.log

正常に終了したら、OLU 用に設定した力場がファイル（OLU.frcmodなど）に出力されているはずです

OLU.frcmod

Remark line goes here
MASS

BOND

ANGLE
ne-c2-o    79.144     117.755   Calculated using  o-c2-n2, penalty score=  2.8
ne-ce-ss   64.700     117.230   same as n2-ce-ss, penalty score=  2.8
cd-ce-ne   68.300     122.390   same as cc-ce-nf, penalty score=  1.5
cd-ce-ss   61.500     117.520   same as ca-ce-ss, penalty score=  2.0
ce-cd-ss   61.300     121.580   same as cf-cd-ss, penalty score=  0.8

DIHE
ss-cd-ce-ne   4   26.600       180.000           2.000      same as X -ce-cf-X , penalty score=136.0
nd-cd-ce-ne   4   26.600       180.000           2.000      same as X -ce-cf-X , penalty score=136.0
ne-ce-ss-c3   2    2.200       180.000           2.000      same as X -c2-ss-X , penalty score=237.0
cd-ce-ss-c3   1    1.100       180.000          -2.000      same as c2-c2-ss-c3
cd-ce-ss-c3   1    0.700       180.000           3.000      same as c2-c2-ss-c3, penalty score=324.0
ss-cd-ce-ss   4   26.600       180.000           2.000      same as X -ce-cf-X , penalty score=136.0
nd-cd-ce-ss   4   26.600       180.000           2.000      same as X -ce-cf-X , penalty score=136.0
ce-cd-ss-cc   2    2.200       180.000           2.000      same as X -c2-ss-X , penalty score=232.0
cd-cc-ss-cd   2    2.200       180.000           2.000      same as X -c2-ss-X , penalty score=232.0
cc-cc-ss-cd   2    2.200       180.000           2.000      same as X -c2-ss-X , penalty score=232.0
nd-cd-ss-cc   2    2.200       180.000           2.000      same as X -c2-ss-X , penalty score=232.0

IMPROPER
c3-ne-c2-o          1.1          180.0         2.0          Using the default value
cd-ne-ce-ss         1.1          180.0         2.0          Using the default value
ce-nd-cd-ss         1.1          180.0         2.0          Using the default value
cc-cd-cc-ss         1.1          180.0         2.0          Using the default value
c -cc-cd-ha         1.1          180.0         2.0          Same as X -X -ca-ha, penalty score= 38.9 (use general term))
cc-cc-cc-nd         1.1          180.0         2.0          Using the default value
cc-cd-cc-ha         1.1          180.0         2.0          Same as X -X -ca-ha, penalty score= 38.9 (use general term))
cd-cd-c -o         10.5          180.0         2.0          Using general improper torsional angle  X- X- c- o, penalty score=  6.0)

NONBON

OLU.prep

    0    0    2

This is a remark line
molecule.res
OLU   XYZ  0
CHANGE     OMIT DU   BEG
  0.0000
   1  DUMM  DU    M        999.000     999.0      -999.0           .00000
   2  DUMM  DU    M        999.000    -999.0       999.0           .00000
   3  DUMM  DU    M       -999.000     999.0       999.0           .00000
   4  O1    o     M          4.895000   -1.523000    0.000000   -0.563608
   5  C1    c2    M          3.973000   -0.722000    0.000000    0.616170
   6  N1    ne    E          2.631000   -1.032000    0.000000    0.163486
   7  C3    c3    M          4.258000    0.809000    0.000000   -0.499580
   8  H1    h1    E          4.844000    1.068000   -0.887000    0.231959
   9  H2    h1    E          4.844000    1.068000    0.887000   -0.270522
  10  S1    ss    M          2.644000    1.651000   -0.000000    0.028279
  11  C2    ce    M          1.848000    0.023000   -0.000000   -0.168755
  12  C4    cd    M          0.439000   -0.025000   -0.000000    0.113282
  13  S2    ss    S         -0.455000   -1.581000   -0.000000   -0.594986
  14  C5    cc    S         -1.965000   -0.669000   -0.000000    0.037448
  15  C6    cd    S         -3.259000   -1.124000   -0.000000    0.037448
  16  H3    ha    E         -3.506000   -2.181000   -0.000000    0.200283
  17  N2    nd    M         -0.337000    1.052000   -0.000000   -0.482352
  18  C7    cc    M         -1.640000    0.741000   -0.000000    0.302676
  19  C8    cc    M         -2.712000    1.683000    0.000000   -0.429314
  20  H4    ha    E         -2.464000    2.743000    0.000000   -0.256735
  21  C9    cd    M         -4.003000    1.245000    0.000000   -0.259188
  22  H5    ha    E         -4.836000    1.944000    0.000000    0.533319
  23  C10   c     M         -4.370000   -0.182000    0.000000    0.143215
  24  O2    o     M         -5.566000   -0.545000    0.000000    0.117475


LOOP
   C2   N1
   C7   C5
  C10   C6

IMPROPER
   C3   N1   C1   O1
   C4   N1   C2   S1
   C2   N2   C4   S2
   C7   C6   C5   S2
  C10   C5   C6   H3
   C5   C8   C7   N2
   C7   C9   C8   H4
  C10   C8   C9   H5
   C6   C9  C10   O2

DONE
STOP

OLU.pdb

ATOM      1  O1  OLU     1       4.895  -1.523   0.000 -0.563608
ATOM      2  C1  OLU     1       3.973  -0.722   0.000  0.616170
ATOM      3  N1  OLU     1       2.631  -1.032   0.000  0.163486
ATOM      4  C3  OLU     1       4.258   0.809   0.000 -0.499580
ATOM      5  H1  OLU     1       4.844   1.068  -0.887  0.231959
ATOM      6  H2  OLU     1       4.844   1.068   0.887 -0.270522
ATOM      7  S1  OLU     1       2.644   1.651  -0.000  0.028279
ATOM      8  C2  OLU     1       1.848   0.023  -0.000 -0.168755
ATOM      9  C4  OLU     1       0.439  -0.025  -0.000  0.113282
ATOM     10  S2  OLU     1      -0.455  -1.581  -0.000 -0.594986
ATOM     11  C5  OLU     1      -1.965  -0.669  -0.000  0.037448
ATOM     12  C6  OLU     1      -3.259  -1.124  -0.000  0.037448
ATOM     13  H3  OLU     1      -3.506  -2.181  -0.000  0.200283
ATOM     14  N2  OLU     1      -0.337   1.052  -0.000 -0.482352
ATOM     15  C7  OLU     1      -1.640   0.741  -0.000  0.302676
ATOM     16  C8  OLU     1      -2.712   1.683   0.000 -0.429314
ATOM     17  H4  OLU     1      -2.464   2.743   0.000 -0.256735
ATOM     18  C9  OLU     1      -4.003   1.245   0.000 -0.259188
ATOM     19  H5  OLU     1      -4.836   1.944   0.000  0.533319
ATOM     20  C10 OLU     1      -4.370  -0.182   0.000  0.143215
ATOM     21  O2  OLU     1      -5.566  -0.545   0.000  0.117475

AMP

AMP の力場ファイルは、こちらからダウンロードできます

[open] [close] AMP の力場ファイルの作り方はこちら

ADP の力場ファイルを入手

Richard Bryce らが公開している AMBER parameter database から ADP の prep ファイル、リン酸部分の力場パラメータが載っている frcmod ファイルをダウンロードします
- 上記のデータベースを利用するので、論文を書くときには、この文献を引用するのを忘れないように

wget http://amber.manchester.ac.uk/cof/ADP.prep

wget http://amber.manchester.ac.uk/cof/frcmod.phos

ADP.prep

    0    0    2

R-ADENOSINE - with diphosphate linker
adp.db94
 adp  INT     1
 CORRECT OMIT DU   BEG
   0.0
    1   DUMM  DU    M     0    0    0    0.000    0.000    0.000    0.000
    2   DUMM  DU    M     1    0    0    1.000    0.000    0.000    0.000
    3   DUMM  DU    M     2    1    0    1.000   90.000    0.000    0.000
    4   O1B   O3    M     3    2    1    1.000   90.000  180.000   -0.9552
    5   PB    P     M     4    3    2    1.434   90.000  180.000    1.3672
    6   O2B   O3    E     5    4    3    1.574  107.490  -79.441   -0.9552
    7   O3B   O3    E     5    4    3    1.518  118.007  165.990   -0.9552
    8   O3A   OS    M     5    4    3    1.599  113.374  180.000   -0.6346
    9   PA    P     M     6    5    4    1.646  130.619   36.624    1.4929
   10   O1A   O2    E     7    6    5    1.504  109.212  -90.234   -0.9474
   11   O2A   O2    E     7    6    5    1.526  108.570   40.323   -0.9474
   12   O5*   OS    M     7    6    5    1.585   97.173  157.726   -0.6579
   13   C5*   CT    M     8    7    6    1.445  122.292  -66.317    0.0558
   14   H50   H1    E     9    8    7    1.059  109.484   27.531    0.0679
   15   H51   H1    E     9    8    7    1.059  109.437  -92.456    0.0679
   16   C4*   CT    M     9    8    7    1.477  113.286  147.538    0.1065
   17   H40   H1    E    16    9    8    1.059  105.768 -179.178    0.1174
   18   O4*   OS    S    16   13    9    1.482  106.235  -62.889   -0.3548
   19   C1*   CT    B    18   16   13    1.391  107.688  128.804    0.0394
   20   H10   H2    E    19   18   16    1.059  109.468   91.228    0.2007
   21   N9    N*    S    19   18   16    1.552  105.091 -143.300   -0.0251
   22   C8    CK    B    21   19   18    1.388  123.797   33.434    0.2006
   23   H80   H5    E    22   21   19    1.078  131.047   -3.389    0.1553
   24   N7    NB    S    22   21   19    1.384  108.967  176.598   -0.6073
   25   C5    CB    S    24   22   21    1.395  103.021    0.702    0.0515
   26   C6    CA    B    25   24   22    1.412  128.288  178.252    0.7009
   27   N6    N2    B    26   25   24    1.333  125.907   -3.791   -0.9019
   28   H60   H     E    27   26   25    1.010  120.010    2.829    0.4115
   29   H61   H     E    27   26   25    1.009  120.014 -177.167    0.4115
   30   N1    NC    S    26   25   24    1.343  113.319  178.851   -0.7615
   31   C2    CQ    B    30   26   25    1.340  123.433   -1.664    0.5875
   32   H2    H5    E    31   30   26    1.077  120.022 -177.875    0.0473
   33   N3    NC    S    31   30   26    1.377  125.379    2.123   -0.6997
   34   C4    CB    E    33   31   30    1.300  108.242   -0.035    0.3053
   35   C3*   CT    M    16   13   12    1.484  117.051   57.581    0.2022
   36   H30   H1    E    35   16   13    1.059  117.939   24.820    0.0615
   37   O3*   OH    S    35   16   13    1.407  108.509  149.908   -0.6541
   38   H3*   HO    E    37   35   16    0.967  109.470  163.254    0.4376
   39   C2*   CT    M    35   16   13    1.607  102.425  -96.715    0.0670
   40   H20   H1    E    39   35   16    1.059  115.086   78.119    0.0972
   41   O2*   OH    S    39   35   16    1.398  114.943 -153.294   -0.6139
   42   H2*   HO    E    41   39   35    0.967  109.456  -41.679    0.4186

IMPROPER
 C8   C4   N9   C1*
 C6   H60  N6   H61
 N7   N9   C8   H80
 N1   N3   C2   H2
 C5   N1   C6   N6

LOOP CLOSING EXPLICIT
 C1*  C2*
 C4   C5
 C4   N9

DONE
STOP

frcmod.phos

#  Modifications to the AMBER94 force field for polyphosphates
MASS
CT 12.01
OS 16.00
P  30.97
H1 1.008
O2 16.00
O3 16.00

BOND
CT-H1   340.000   1.090         from amber98
CT-OS   320.000   1.410
OS-P    230.000   1.61000
O2-P    525.000   1.480
O3-P    525.000   1.480         by analogy to O2

ANGLE
H1-CT-OS   50.000     109.500
H1-CT-H1   35.000     109.500
CT-OS-P   100.000     120.500
O2-P -O2  140.000     119.900
O3-P -O3  140.000     119.90     by analogy to O2
OS-P -O2  100.000     108.230
OS-P -O3  100.000     108.23     by analogy to O2
OS-P -OS   45.000     102.600
P -OS-P    12.685     150.000    J Comp Chem 2003, 24, 1016-1025

DIHE
H1-CT-OS-P    3       0.105     000.000       3.000          J Comp Chem 2003, 24, 1016-1025
O2-P -OS-CT   2       1.179     000.000      -3.000          J Comp Chem 2003, 24, 1016-1025
O2-P -OS-CT   2      -0.812     000.000       2.000          J Comp Chem 2003, 24, 1016-1025
CT-OS-P -OS   1      -1.560       0.0         1.0            J Comp Chem 2003, 24, 1016-1025
O2-P -OS-P    2      -0.709       0.0         2.0            J Comp Chem 2003, 24, 1016-1025
O3-P -OS-P    3      -0.255       0.0         3.0            J Comp Chem 2003, 24, 1016-1025
P -OS-P -OS   1       0.897       0.00        1.0            J Comp Chem 2003, 24, 1016-1025

NONBON
H1          1.3870  0.0157             Veenstra et al JCC,8,(1992),963
O2          1.6612  0.2100             OPLS
O3          1.6612  0.2100             OPLS - by analogy to O2
CT          1.9080  0.1094             Spellmeyer
P           2.1000  0.2000             JCC,7,(1986),230;
OS          1.6837  0.1700             OPLS ether

ADP の prep ファイルを書き換え

ADP.prepを AMP 用に書き換えます（注意：かなり面倒です 😭）
- ADP.prep ファイルから、PA、O1A、O2A、O5* を削除
- O1B → O1P, PB → P, O2B → O2P, O3B → O3P, O3A → O5' に変更
- 原子名に付いているアスタリスク（*）をプライム（'）に置き換え
- 原子の番号が順番通りになるように修正します
- 上記に対応し、リンクの部分にある原子番号（例：M 3 2 1の数字）も修正する必要があります（これが面倒 😭）
  - GaussView などで分子構造を確認しながら修正することをお勧めします
- Lindh らの論文の SI に記載されている値を使って、リン酸部位の部分電荷を修正

上記の修正の結果、AMP 用に書き換えたファイル（AMP.prep）は下記のようになります

AMP.prep

0    0    2

R-ADENOSINE - with monophosphate linker
amp.db94
 AMP  INT     1
 CORRECT OMIT DU   BEG
   0.0
    1   DUMM  DU    M     0    0    0    0.000    0.000    0.000    0.000
    2   DUMM  DU    M     1    0    0    1.000    0.000    0.000    0.000
    3   DUMM  DU    M     2    1    0    1.000   90.000    0.000    0.000
    4   O1P   O3    M     3    2    1    1.000   90.000  180.000   -1.0649
    5   P     P     M     4    3    2    1.434   90.000  180.000    1.7165
    6   O2P   O3    E     5    4    3    1.574  107.490  -79.441   -1.0649
    7   O3P   O3    E     5    4    3    1.518  118.007  165.990   -1.0649
    8   O5'   OS    M     5    4    3    1.599  113.374  180.000   -0.7146
    9   C5'   CT    M     8    7    6    1.445  122.292  -66.317    0.5898
   10   H50   H1    E     9    8    7    1.059  109.484   27.531   -0.1323
   11   H51   H1    E     9    8    7    1.059  109.437  -92.456   -0.1323
   12   C4'   CT    M     9    8    7    1.477  113.286  147.538    0.1065
   13   H40   H1    E    12    9    8    1.059  105.768 -179.178    0.1174
   14   O4'   OS    S    12   11    9    1.482  106.235  -62.889   -0.3548
   15   C1'   CT    B    14   12   11    1.391  107.688  128.804    0.0394
   16   H10   H2    E    15   14   12    1.059  109.468   91.228    0.2007
   17   N9    N*    S    15   14   12    1.552  105.091 -143.300   -0.0251
   18   C8    CK    B    17   15   14    1.388  123.797   33.434    0.2006
   19   H8    H5    E    18   17   15    1.078  131.047   -3.389    0.1553
   20   N7    NB    S    18   17   15    1.384  108.967  176.598   -0.6073
   21   C5    CB    S    20   18   17    1.395  103.021    0.702    0.0515
   22   C6    CA    B    21   20   18    1.412  128.288  178.252    0.7009
   23   N6    N2    B    22   21   20    1.333  125.907   -3.791   -0.9019
   24   H60   H     E    23   22   21    1.010  120.010    2.829    0.4115
   25   H61   H     E    23   22   21    1.009  120.014 -177.167    0.4115
   26   N1    NC    S    22   21   20    1.343  113.319  178.851   -0.7615
   27   C2    CQ    B    26   22   21    1.340  123.433   -1.664    0.5875
   28   H2    H5    E    27   26   22    1.077  120.022 -177.875    0.0473
   29   N3    NC    S    27   26   22    1.377  125.379    2.123   -0.6997
   30   C4    CB    E    29   27   26    1.300  108.242   -0.035    0.3053
   31   C3'   CT    M    12   11   10    1.484  117.051   57.581    0.2022
   32   H30   H1    E    31   12   11    1.059  117.939   24.820    0.0615
   33   O3'   OH    S    31   12   11    1.407  108.509  149.908   -0.6541
   34   H3'   HO    E    33   31   12    0.967  109.470  163.254    0.4376
   35   C2'   CT    M    31   12   11    1.607  102.425  -96.715    0.0670
   36   H20   H1    E    35   31   12    1.059  115.086   78.119    0.0972
   37   O2'   OH    S    35   31   12    1.398  114.943 -153.294   -0.6139
   38   H2'   HO    E    37   35   31    0.967  109.456  -41.679    0.4186

IMPROPER
 C8   C4   N9   C1'
 C6   H60  N6   H61
 N7   N9   C8   H80
 N1   N3   C2   H2
 C5   N1   C6   N6

LOOP CLOSING EXPLICIT
 C1'  C2'
 C4   C5
 C4   N9

DONE
STOP

frcmod.phos ファイルを修正

frcmod.phos ファイルをコピーして AMP.frcmod をつくります
このファイルのDIHEの部分に下記のパラメータを追加します

O3-P -OS-CT   3       0.375       0.0         3.0

上記の修正の結果、AMP 用に書き換えたファイル（AMP.frcmod）は下記のようになります

AMP.frcmod

Remark line goes here
MASS

BOND

ANGLE
ne-c2-o    79.144     117.755   Calculated using  o-c2-n2, penalty score=  2.8
ne-ce-ss   64.700     117.230   same as n2-ce-ss, penalty score=  2.8
cd-ce-ss   61.500     117.520   same as ca-ce-ss, penalty score=  2.0
cd-ce-ne   68.300     122.390   same as cc-ce-nf, penalty score=  1.5
ce-cd-ss   61.300     121.580   same as cf-cd-ss, penalty score=  0.8

DIHE
ne-ce-ss-c3   2    2.200       180.000           2.000      same as X -c2-ss-X , penalty score=237.0
cd-ce-ss-c3   1    1.100       180.000          -2.000      same as c2-c2-ss-c3
cd-ce-ss-c3   1    0.700       180.000           3.000      same as c2-c2-ss-c3, penalty score=324.0
nd-cd-ce-ss   4   26.600       180.000           2.000      same as X -ce-cf-X , penalty score=136.0
ss-cd-ce-ss   4   26.600       180.000           2.000      same as X -ce-cf-X , penalty score=136.0
nd-cd-ce-ne   4   26.600       180.000           2.000      same as X -ce-cf-X , penalty score=136.0
ss-cd-ce-ne   4   26.600       180.000           2.000      same as X -ce-cf-X , penalty score=136.0
ce-cd-ss-cc   2    2.200       180.000           2.000      same as X -c2-ss-X , penalty score=232.0
cc-cc-ss-cd   2    2.200       180.000           2.000      same as X -c2-ss-X , penalty score=232.0
cd-cc-ss-cd   2    2.200       180.000           2.000      same as X -c2-ss-X , penalty score=232.0
nd-cd-ss-cc   2    2.200       180.000           2.000      same as X -c2-ss-X , penalty score=232.0

IMPROPER
c3-ne-c2-o          1.1          180.0         2.0          Using the default value
cd-ne-ce-ss         1.1          180.0         2.0          Using the default value
ce-nd-cd-ss         1.1          180.0         2.0          Using the default value
cc-cc-cc-nd         1.1          180.0         2.0          Using the default value
cc-cd-cc-ha         1.1          180.0         2.0          Same as X -X -ca-ha, penalty score= 38.9 (use general term))
c -cc-cd-ha         1.1          180.0         2.0          Same as X -X -ca-ha, penalty score= 38.9 (use general term))
cc-cd-cc-ss         1.1          180.0         2.0          Using the default value
cd-cd-c -o         10.5          180.0         2.0          Using general improper torsional angle  X- X- c- o, penalty score=  6.0)

NONBON

LcLuc の構造ファイル

次のスクリプトを実行すると、LUC の構造データを PDB から取得、基質アナログ (DLSA) を分割して、LUC+OLU+AMP 複合体の構造データ（LUC_com.pdb）をつくります

prepare.sh
#!/bin/bash

# 構造データをダウンロード
wget https://files.rcsb.org/download/2D1S.pdb

# CSO を CYS に変換
sed -e '/OD  CSO/d' -e 's/CSO/CYS/g' 2D1S.pdb > LUC.pdb

# 重複する座標データを削除
awk '{ if (substr($0, 17, 1) == "A") $0 = substr($0, 1, 16) " " substr($0, 18); if (substr($0, 17, 1) != "B") print }' LUC.pdb > LUC_mod.pdb
mv LUC_mod.pdb LUC.pdb

# HETATM ラベルを修正
sed -i -e 's/HETATM/ATOM  /g' LUC.pdb

# 発光基質アナログを分割 （split.py が必要です）
python split.py LUC.pdb LUC_com.pdb

sh prepare.sh

上記を実行するためには、split.pyが必要です。この Python スクリプトは、下記の「詳細」にコードを記載しているので、コピーして使ってください。

[open] [close] prepare.sh スクリプトの詳細

Nakatsu (2006) で報告された LcLuc の構造データ（PDB ID: 2D1S ）を PDB からダウンロードします

wget https://files.rcsb.org/download/2D1S.pdb

非標準アミノ酸への対処

この構造では、システイン (CYS) の一部が、システインスルフォキシド (CSO) という誘導体に置き換わっています

HETATM  441  N   CSO A  64      -5.038   4.327  14.691  1.00  5.93           N  
HETATM  442  CA  CSO A  64      -6.079   4.331  15.718  1.00  6.66           C  
HETATM  443  CB  CSO A  64      -5.703   3.407  16.877  1.00  6.26           C  
HETATM  444  SG  CSO A  64      -5.778   1.656  16.397  1.00 10.68           S  
HETATM  445  C   CSO A  64      -6.358   5.751  16.231  1.00  6.18           C  
HETATM  446  O   CSO A  64      -7.509   6.116  16.448  1.00  5.96           O  
HETATM  447  OD  CSO A  64      -7.057   0.904  17.420  1.00 14.68           O

CSO

CSO などの非標準アミノ酸は、通常、Amber では取り扱うことができないので、CYS に置き換えます
- sedコマンドを使って、OD CSO が含まれる行を取り除きます
- CSO を CYS に置き換えます

sed -e '/OD  CSO/d' -e 's/CSO/CYS/g' 2D1S.pdb > LUC.pdb

MacOS の場合、sed が標準的なものと異なるので注意 → 詳しくはこちら

HETATM  441  N   CYS A  64      -5.038   4.327  14.691  1.00  5.93           N  
HETATM  442  CA  CYS A  64      -6.079   4.331  15.718  1.00  6.66           C  
HETATM  443  CB  CYS A  64      -5.703   3.407  16.877  1.00  6.26           C  
HETATM  444  SG  CYS A  64      -5.778   1.656  16.397  1.00 10.68           S  
HETATM  445  C   CYS A  64      -6.358   5.751  16.231  1.00  6.18           C  
HETATM  446  O   CYS A  64      -7.509   6.116  16.448  1.00  5.96           O

CYS

重複する座標データへの対処

この構造では、一部で、１つの原子に対して複数の座標データが含まれています

ATOM   1271  N   ARG A 172     -11.352   5.489  24.197  1.00  9.45           N  
ATOM   1272  CA  ARG A 172     -12.641   6.147  24.412  1.00 10.12           C  
ATOM   1273  C   ARG A 172     -13.246   6.695  23.130  1.00  9.90           C  
ATOM   1274  O   ARG A 172     -14.412   7.101  23.123  1.00 11.23           O  
ATOM   1275  CB  ARG A 172     -12.511   7.270  25.436  1.00 11.01           C  
ATOM   1276  CG  ARG A 172     -12.264   6.787  26.866  1.00 12.83           C  
ATOM   1277  CD AARG A 172     -13.442   6.086  27.538  0.50 14.51           C  
ATOM   1278  CD BARG A 172     -12.363   7.890  27.900  0.50 13.47           C  
ATOM   1279  NE AARG A 172     -14.642   6.922  27.575  0.50 16.22           N  
ATOM   1280  NE BARG A 172     -11.988   7.426  29.233  0.50 14.80           N  
ATOM   1281  CZ AARG A 172     -14.981   7.734  28.573  0.50 15.77           C  
ATOM   1282  CZ BARG A 172     -11.891   8.211  30.298  0.50 14.69           C  
ATOM   1283  NH1AARG A 172     -14.217   7.845  29.654  0.50 17.25           N  
ATOM   1284  NH1BARG A 172     -12.151   9.508  30.202  0.50 15.85           N  
ATOM   1285  NH2AARG A 172     -16.098   8.444  28.486  0.50 15.58           N  
ATOM   1286  NH2BARG A 172     -11.544   7.695  31.471  0.50 16.45           N

今回の場合、最初のデータ（Aとラベルされた方）を使うことにします
- PDBデータのなかで、17列目にBという文字がある行を削除します
- また、17列目にAという文字がある場合には空白で置き換えます

awk '{ if (substr($0, 17, 1) == "A") $0 = substr($0, 1, 16) " " substr($0, 18); if (substr($0, 17, 1) != "B") print }' LUC.pdb > LUC_mod.pdb; mv LUC_mod.pdb LUC.pdb

ATOM   1271  N   ARG A 172     -11.352   5.489  24.197  1.00  9.45           N  
ATOM   1272  CA  ARG A 172     -12.641   6.147  24.412  1.00 10.12           C  
ATOM   1273  C   ARG A 172     -13.246   6.695  23.130  1.00  9.90           C  
ATOM   1274  O   ARG A 172     -14.412   7.101  23.123  1.00 11.23           O  
ATOM   1275  CB  ARG A 172     -12.511   7.270  25.436  1.00 11.01           C  
ATOM   1276  CG  ARG A 172     -12.264   6.787  26.866  1.00 12.83           C  
ATOM   1277  CD  ARG A 172     -13.442   6.086  27.538  0.50 14.51           C  
ATOM   1279  NE  ARG A 172     -14.642   6.922  27.575  0.50 16.22           N  
ATOM   1281  CZ  ARG A 172     -14.981   7.734  28.573  0.50 15.77           C  
ATOM   1283  NH1 ARG A 172     -14.217   7.845  29.654  0.50 17.25           N  
ATOM   1285  NH2 ARG A 172     -16.098   8.444  28.486  0.50 15.58           N

HETATM ラベルを修正

通常のアミノ酸配列に含まれていない異種原子 (hetero atoms)、つまり、非標準アミノ酸・リガンド・金属イオン・水分子などは、最初の列がHETATMというタグになっていて、アミノ酸配列のタグ (ATOM) と異なっています

ATOM   4121  N   VAL A 545      32.023  44.586  34.701  1.00 30.51           N  
ATOM   4122  CA  VAL A 545      32.597  43.375  35.295  1.00 31.27           C  
ATOM   4123  C   VAL A 545      32.494  43.390  36.819  1.00 31.57           C  
ATOM   4124  O   VAL A 545      32.074  42.404  37.431  1.00 32.25           O  
ATOM   4125  CB  VAL A 545      34.081  43.165  34.898  1.00 31.34           C  
ATOM   4126  CG1 VAL A 545      34.467  41.695  35.044  1.00 31.87           C  
ATOM   4127  CG2 VAL A 545      34.352  43.657  33.474  1.00 31.71           C  

（省略）

HETATM 4171  O   HOH A2002      14.687  19.244   8.432  1.00  5.02           O  
HETATM 4172  O   HOH A2003       7.144  24.114  15.723  1.00  6.14           O  
HETATM 4173  O   HOH A2004      15.076  18.773   2.287  1.00  5.55           O

AmberTools や他のツールで扱うときに、HETATM の部分が連続した配列として扱われなかったことがあるので、念のため、ATOM に置換しておきます

sed -i -e 's/HETATM/ATOM  /g' LUC.pdb

発光基質アナログを分割

この構造では、OLU + AMP ではなく、この２つを組み合わせたような構造をもつ DLSA という発光基質の類似体（残基コードはSLU）が LcLuc に結合しています
LUC.pdbから、SLUの部分を抽出してみましょう

grep "ATOM .* SLU " LUC.pdb > SLU.pdb

SLU.pdb

ATOM   4131  O39 SLU A2001      17.325  26.177  11.450  1.00  5.69           O  
ATOM   4132  C16 SLU A2001      16.264  25.981  10.856  1.00  4.26           C  
ATOM   4133  C14 SLU A2001      16.096  24.710  10.113  1.00  3.73           C  

(省略)

ATOM   4168  N38 SLU A2001      23.874  24.780   8.175  1.00  6.31           N  
ATOM   4169  N37 SLU A2001      21.154  25.902   9.121  1.00  4.97           N  
ATOM   4170  C36 SLU A2001      20.318  26.822   9.629  1.00  5.43           C

DSLA

このSLUをOLUとAMPに分割します
- 手作業でもできますが、ちょっと大変なので、Python スクリプト（split.py）をつくりました
  - １つ目の引数に元のファイル名（LUC.pdb）、２つ目の引数に出力するファイル名（LUC_com.pdb）を指定します
  - ここで _comは、複合体（complex）の略です

python split.py LUC.pdb LUC_com.pdb

split.py スクリプト

split.py
#!/usr/bin/env python

import sys

input_filename = sys.argv[1]
output_filename = sys.argv[2]

mapping = {
   1: ["DELETE"],

   2: ["OLU",  1],
   3: ["OLU",  2],
   4: ["OLU",  3],
   5: ["OLU",  6],
   6: ["OLU",  5],
   7: ["OLU",  4],
   8: ["OLU",  7],
   9: ["OLU",  8],
  10: ["OLU",  9],
  11: ["OLU", 10],
  12: ["OLU", 15],
  13: ["OLU", 16],
  14: ["OLU", 11],
  15: ["OLU", 12],
  16: ["OLU", 13],
  17: ["OLU", 14],

  18: ["AMP",  2],
  19: ["AMP",  1],
  20: ["AMP",  3],
  21: ["AMP",  4],
  22: ["AMP",  5],
  23: ["AMP",  6],
  24: ["AMP",  7],
  25: ["AMP",  9],
  26: ["AMP", 10],
  27: ["AMP", 11],
  28: ["AMP", 12],
  29: ["AMP", 13],
  30: ["AMP",  8],
  31: ["AMP", 14],
  32: ["AMP", 23],
  33: ["AMP", 22],
  34: ["AMP", 21],
  35: ["AMP", 20],
  36: ["AMP", 17],
  37: ["AMP", 18],
  38: ["AMP", 19],
  39: ["AMP", 16],
  40: ["AMP", 15]
}

atomname = {
  "OLU": {1: "O6'", 2: "C4'", 3: "N3'", 4: "C2'", 5: "S1'", 6: "C5'", 7: "C2 ", 8: "S1 ", 9: "C5 ", 10: "C6 ", 11: "C4 ", 12: "N3 ", 13: "C9 ", 14: "C8 ", 15: "C7 ", 16: "O7 "},
  "AMP": {1: "P  ", 2: "O1P", 3: "O2P", 4: "O3P", 5: "O5'", 6: "C5'", 7: "C4'", 8: "O4'", 9: "C3'", 10: "O3'", 11: "C2'", 12: "O2'", 13: "C1'", 14: "N9 ", 15: "C8 ", 16: "N7 ", 17: "C5 ", 18: "C6 ", 19: "N6 ", 20: "N1 ", 21: "C2 ", 22: "N3 ", 23: "C4 "}
}

def read_pdb_file(file_name):
  with open(file_name, 'r') as file:
    pdb_data = file.readlines()
  return pdb_data

def write_pdb_file(file_name, pdb_data):
  with open(file_name, 'w') as file:
    file.writelines(pdb_data)

def edit_pdb_data(pdb_data, mapping):
  edited_pdb_data = []
  atom_counter = 1
  for line in pdb_data:
    if line.startswith('ATOM'):
      residue_name = line[17:20].strip()
      if residue_name == 'SLU':
        residue = mapping[atom_counter][0]
        resinum = '2001' if residue != 'AMP' else '2002'
        if residue != 'DELETE':
          atomnum = mapping[atom_counter][1]
          line = line[:13] + atomname[residue][atomnum] + ' ' + residue + '  ' + resinum + line[26:66] + '\n'
        else:
          line = ''
        atom_counter += 1
      if line != '':
        edited_pdb_data.append(line)
  return edited_pdb_data

def main():
  pdb_data = read_pdb_file(input_filename)
  edited_pdb_data = edit_pdb_data(pdb_data, mapping)
  write_pdb_file(output_filename, edited_pdb_data)

if __name__ == "__main__":
    main()

スクリプトの作り方

DLSA と OLU および AMP の構造を比較してみます

DLSA の各原子に対して、OLU および AMP が次のように対応していることが分かります

mapping = {
   1: ["DELETE"],

   2: ["OLU",  1],
   3: ["OLU",  2],
   4: ["OLU",  3],
   5: ["OLU",  6],
   6: ["OLU",  5],
   7: ["OLU",  4],
   8: ["OLU",  7],
   9: ["OLU",  8],
  10: ["OLU",  9],
  11: ["OLU", 10],
  12: ["OLU", 15],
  13: ["OLU", 16],
  14: ["OLU", 11],
  15: ["OLU", 12],
  16: ["OLU", 13],
  17: ["OLU", 14],

  18: ["AMP",  2],
  19: ["AMP",  1],
  20: ["AMP",  3],
  21: ["AMP",  4],
  22: ["AMP",  5],
  23: ["AMP",  6],
  24: ["AMP",  7],
  25: ["AMP",  9],
  26: ["AMP", 10],
  27: ["AMP", 11],
  28: ["AMP", 12],
  29: ["AMP", 13],
  30: ["AMP",  8],
  31: ["AMP", 14],
  32: ["AMP", 23],
  33: ["AMP", 22],
  34: ["AMP", 21],
  35: ["AMP", 20],
  36: ["AMP", 17],
  37: ["AMP", 18],
  38: ["AMP", 19],
  39: ["AMP", 16],
  40: ["AMP", 15]
}

上記の対応に基づいて、SLU を OLU と AMP に分割して、原子名や残基名などを適切に修正する Python スクリプト split.pyを作成しました
対応表を適切に修正すれば、DLASA など、他の発光基質アナログにも対応できます

上記のスクリプトを実行すると、ATOM レコード以外の行を削除したファイルを生成します

上記のスクリプトは「その場しのぎ（ad hoc）」なものなので、適宜修正が必要かもしれません。また、修正すれば、他の発光基質アナログにも対応できるはずです。

OLU+AMP 構造を確認

LUC_com.pdb の OLU+AMP

ATOM   4132  O6' OLU  2001      16.264  25.981  10.856  1.00  4.26
ATOM   4133  C4' OLU  2001      16.096  24.710  10.113  1.00  3.73
ATOM   4134  N3' OLU  2001      17.122  23.880   9.859  1.00  4.69

(省略)

ATOM   4145  N3  OLU  2001      17.161  20.597   8.283  1.00  5.44
ATOM   4146  C9  OLU  2001      18.136  18.459   7.448  1.00  6.18
ATOM   4147  C8  OLU  2001      19.313  17.741   7.265  1.00  6.42
TER
ATOM   4148  O1P AMP  2002      15.163  26.714  10.942  1.00  4.27
ATOM   4149  P   AMP  2002      15.068  28.075  11.751  1.00  4.46
ATOM   4150  O2P AMP  2002      13.983  28.834  11.171  1.00  5.13

(省略)

ATOM   4168  N6  AMP  2002      23.874  24.780   8.175  1.00  6.31
ATOM   4169  N7  AMP  2002      21.154  25.902   9.121  1.00  4.97
ATOM   4170  C8  AMP  2002      20.318  26.822   9.629  1.00  5.43
TER

LUC_com.pdb の OLU+AMP

LcLuc 複合体の立体構造

VMD など、使い慣れた分子表示アプリを使って、LcLuc + OLU + AMP 複合体の構造を確認してみましょう

LUC_com.pdb

OLU と AMP の酸素原子間の距離が近いので、この図では２つが結合しているように見えますが、構造データ上では異なる分子として分割しています

LuLuc にプロトンを付加する

PDB からダウンロードした構造には水素が付加されていないため、H⁺（プロトン）を付加する必要があります
プロトンの付加は、 PDB2PQR という Web サービスを使っておこないます
- 論文を書くときには、関連論文の引用を忘れないように

準備

複合体の構造データLUC_com.pdbから、標準アミノ酸＆水分子の他（CL,OLU,AMP）を除いた構造データLUC_apo.pdbを作成します

grep -v "ATOM .*AMP " LUC_com.pdb | grep -v "ATOM .*OLU " | grep -v "ATOM .* CL " > LUC_apo.pdb

PDB データに含まれる水分子を除去するかどうかには検討の余地がありますが、ここでは Lindh (2010) と同じモデルをつくりたいので、残しておきます

PDB2PQR

PDB2PQR にアクセスして、LUC_apo.pdbをアップロードします
各項目を次のような感じに設定したあとで、Start Jobボタンをクリック

作成された ***.pqr ファイルをダウンロードします
- PQR 形式は、PDB データに部分電荷と原子半径のパラメータを追加したものです
各アミノ酸残基と水分子に、水素（プロトン）が付加されていることを確認してください

LUC_apo.pqr

ATOM      1  N   ASP     7      19.436  34.485 -16.440  0.0782 1.8240
ATOM      2  CA  ASP     7      20.420  34.912 -15.425  0.0292 1.9080
ATOM      3  C   ASP     7      21.266  33.741 -14.951  0.5621 1.9080
ATOM      4  O   ASP     7      20.820  32.875 -14.172 -0.5889 1.6612
ATOM      5  CB  ASP     7      19.715  35.566 -14.240 -0.0235 1.9080
ATOM      6  CG  ASP     7      20.679  36.217 -13.273  0.8194 1.9080
ATOM      7  OD1 ASP     7      21.918  36.157 -13.488 -0.8084 1.6612
ATOM      8  OD2 ASP     7      20.262  36.805 -12.255 -0.8084 1.6612
ATOM      9  H1  ASP     7      19.815  33.732 -16.977  0.2200 0.6000
ATOM     10  HA  ASP     7      21.037  35.566 -15.877  0.1141 1.1000
ATOM     11  HB2 ASP     7      19.098  36.261 -14.594 -0.0169 1.4870
ATOM     12  HB3 ASP     7      19.204  34.862 -13.759 -0.0169 1.4870
ATOM     13  H2  ASP     7      18.599  34.181 -15.987  0.2200 0.6000
ATOM     14  H3  ASP     7      19.226  35.252 -17.045  0.2200 0.6000
ATOM     15  N   GLU     8      22.516  33.739 -15.400 -0.5163 1.8240
ATOM     16  CA  GLU     8      23.451  32.682 -15.063  0.0397 1.9080

（省略）

下記のアミノ酸残基は複数の異なるプロトン化状態（deprotonated と protonated）があるので、注意が必要です
出力された PQR ファイルに含まれていないか、確認しておきましょう

Deprotonated	Protonated
ASP (–)	ASH
GLU (–)	GLH
HID / HIE	HIP (+)

grep -E " ASH | GLH | HIP " LUC_apo.pqr

ヒスチジン（HIS）はプロトンの位置がHID（δ位）とHIE（ε位）で異なるので、こちらも確認しておきましょう

grep -E " HID | HIE " LUC_apo.pqr

リガンドを戻す

プロトンを付加する前に除去したリガンド（OLU と AMP）の構造データを上記のファイルに追記します
- この構造には塩素（CL）も含まれているのですが、ここでは無視することにします

grep -v "HETATM.*WAT " LUC_apo.pqr | grep -v "END" > LUC_done.pdb; \
grep "ATOM .*AMP " LUC_com.pdb >> LUC_done.pdb; \
echo "TER" >> LUC_done.pdb; \
grep "ATOM .*OLU " LUC_com.pdb >> LUC_done.pdb; \
echo "TER" >> LUC_done.pdb; \
grep "HETATM.*WAT " LUC_apo.pqr >> LUC_done.pdb; \
echo "TER" >> LUC_done.pdb; \
echo "END" >> LUC_done.pdb

塩素（CL）を含めるかどうかは、丁寧に検討する必要がありそうです

Amber で水和構造の準備

このステップでは、量子化学計算に取り組む前に、 AmberTools を使って、LcLuc + OLU + AMP 複合体の周囲に水分子を配置します
また、分子力場モデルを用いて、系全体の構造を最適化します

準備

AmberTools を実行するディレクトリに移動して、srcというディレクトリを作成します

mkdir src; cd src

前のステップで準備した LUC+OLU+AMP 複合体構造 LUC_done.pdb をこのsrcディレクトリにコピーします

cp /path/to/LUC_done.pdb .

/path/to の部分は、LUC_done.pdb があるディレクトリに置き換えてください。あるいは、sftp などでファイルをアップロードする場合があるかもしれません。

OLU と AMP の分子力場ファイル（prep と frcmod）をダウンロードします

wget https://yamnor.me/a/OLU.tar.gz

wget https://yamnor.me/a/AMP.tar.gz

OLU.tar.gez と AMP.tar.gz を展開します

tar -zxvf OLU.tar.gz

tar -zxvf AMP.tar.gz

展開したファイルを確認すると、prepとfrcmodファイルがあるはずです

ls

AMP.frcmod  AMP.prep  LUC_done.pdb  OLU.frcmod  OLU.prep

分子研スパコンを使う場合

次のコマンドを実行して、AmberTools の環境設定を読み込みます

module load amber

水を配置する

AmberTools のtleapコマンドを使って、複合体構造（LUC_done.pdb）の周りに水分子を配置した後、Amber を実行するために必要なファイルを生成します

tleap コマンド

tleapコマンドを使って、複合体構造から 5 Å 以内の範囲に、八面体ボックスで、水分子を配置します
- 通常の MD シミュレーションでは、10 Å 以内に水分子を配置することが一般的ですが、ここでは QM/MM の準備なので、短い 5 Å に設定しています
LUC の力場は Amber FF14SB、水分子は TIP3P、リガンドは GAFF を使います
系を中性にするために、Na⁺ と Cl^- を自動で追加します
- 今回の場合、Na⁺ が１個付加されるはずです
tleapの実行コマンドをまとめたスクリプト（tleap.sh）を準備しました

tleap.sh
#!/bin/bash

cat <<EOF >| tleap.cmd
source leaprc.gaff
source leaprc.protein.ff14SB
source leaprc.water.tip3p

loadAmberParams frcmod.ions234lm_1264_tip3p

loadAmberParams src/OLU.frcmod
loadAmberPrep   src/OLU.prep
loadAmberParams src/AMP.frcmod
loadAmberPrep   src/AMP.prep

com = loadPDB   src/LUC_done.pdb

solvateOCT com TIP3PBOX 5.0
addIons    com Na+ 0
addIons    com Cl- 0

savePDB       com amb.pdb
saveAmberParm com amb.top amb.crd
EOF

tleap -f tleap.cmd
rm tleap.cmd

srcと同じ階層のディレクトリでtleap.shを実行します

sh tleap.sh

座標ファイル（amb.crd）とトポロジーファイル（amb.top）が生成されるはずです

構造最適化

準備

1_minというディレクトリを作成しておき、出力ファイルをこの中に保存することにします

mkdir 1_min

インプットファイル

AmberTools のsanderコマンドを使って、構造最適化をおこなう場合のインプットファイル（1_min.inp）は、次のようになります

1_min.inp

Protein
&cntrl
  imin   = 1,

  ntx    = 1,
  irest  = 0,

  ntpr   = 100,
  ntwr   = 100,
  ntwx   = 100,
  ntwprt = 0,

  maxcyc = 20000,
  ntmin  = 0

  ntc    = 1,
  ntf    = 1,

  ntb    = 1,

  cut    = 8.0,
/

ジョブスクリプト

分子研スパコンなどで、キューイングシステム PBS (Portable Batch System) を用いて計算を実行する場合は、次のようなジョブスクリプト（1_min.job）を準備します

1_min.job
#!/bin/bash

#PBS -l select=1:ncpus=8:mpiprocs=8:ompthreads=1:jobtype=core
#PBS -l walltime=1:00:00

MPI=8
OMP=1

JOB=1_min
PRE=amb

INP=../${JOB}.inp
TOP=../amb.top
INI=../amb.crd

AMB="mpirun -n ${MPI} sander.MPI"

module load amber

cd ${PBS_O_WORKDIR}/${JOB}

if [ -f ${INI} ]; then
  cp ${INI} ${PRE}.ref
else
  echo "Error:1"
  exit 1
fi
if [ -f ${INP} -a -f ${TOP} ]; then
  ${AMB} \
     -O              \
     -i   ${INP}     \
     -p   ${TOP}     \
     -c   ${INI}     \
     -o   ${PRE}.out \
     -r   ${PRE}.crd \
     -x   ${PRE}.trj \
     -ref ${PRE}.ref \
     -inf ${PRE}.inf
else
  echo "Error:2"
  exit 1
fi
if [ -f ${PRE}.crd ]; then
  ambpdb -p ${TOP} -c ${PRE}.crd > ${PRE}.pdb
else
  echo "Error:3"
  exit 1
fi

MPI 並列数などを適宜変更してください。冗長な部分が多いので、適宜削除して使ってください。

実行

1_minと1_min.inpと同じディレクトリで、1_min.jobスクリプトを実行します

jsub 1_min.job

ジョブが正常に終了すると、1_minディレクトリ内に出力ファイルが生成されます

cd 1_min; ls

amb.crd  amb.inf  amb.out  amb.pdb  amb.ref  amb.trj

結果の確認

VMD などの分子表示ソフトを使って、構造最適化後の PDB ファイル（amb.pdb）で、水和構造を確認してみましょう

amb.pdb

初期構造では、OLU と AMP が近接していましたが、最適化後にはこれらの分子が離れて、適切な位置になっています

水和構造の抽出

cpptrajコマンドを使って、構造最適化後の座標ファイル（amb.crd）から、複合体の周囲 5Å以内の水分子を含めた水和構造を抽出します
次のスクリプトを使って、水和構造の座標ファイル（amb_wat.rst7）と、これに対応するトポロジーファイル（amb_wat.top）を生成します
- 確認用に、PDB 形式のファイル（amb_wat.pdb）も生成しておきましょう

cpptraj.sh
#!/bin/bash

module load amber

cmd="
parm ../amb.top
trajin amb.crd
reference amb.crd
center :1-541
autoimage familiar
strip :Na+,Cl-
strip !(:1-541<:5.0)
trajout amb_wat.pdb
trajout amb_wat.rst7 restart
"
echo "${cmd}" | cpptraj

cmd="
parm ../amb.top
reference amb.crd
center :1-541
parmstrip :Na+,Cl-
parmstrip !(:1-541<:5.0)
parmwrite out amb_wat.top
"
echo "${cmd}" | cpptraj

1_minディレクトリで、上記のスクリプトを実行します

sh cpptraj.sh

VMD などを使って、できた水和構造を確認してみましょう

LUC_wat.pdb

Gaussian で量子化学計算

このステップでは、 Gaussian を使って、LcLuc + OLU + AMP 複合体の量子化学計算に取り組みます
計算手法としては、ONIOM 法を用いて、OLU のみを量子化学計算の対象として、残りの部分（LUC, AMP, 水分子）は力場モデルで扱います
はじめに、基底状態で構造最適化をおこなった後、次に、励起状態の解析をおこないます

準備

pdb2oniom とは？

ONIOM 計算用に Gaussian の入力ファイルを準備するために、今回、 pdb2oniom という Python スクリプトを使います
- pdb2oniom は、東京医科歯科大の森脇さんが開発されています
Gaussian には Amber の力場パラメータが準備されているので、PDB ファイルを GaussView で読み込めば、このスクリプトを使わなくても ONIOM 計算はできます
このスクリプトを使うと、Amber で準備したトポロジーファイルから力場パラメータを読み込んで、ONIOM 計算に反映させることができます
- たとえば、Amber で MD をおこなった後で ONIOM 計算をおこなうようなときには、ほぼ同じ力場パラメータを使うので、構造最適化の収束性が良いことが期待できます
- また、MM 領域に非標準アミノ酸を含む場合などは、Gaussian 標準の力場パラメータでは対応できませんが、このスクリプトを使うと便利です

pdb2oniom のインストール

GitHub のページにある説明を参考に、pdb2oniomをインストールします

python -m pip install git+https://github.com/BILAB/pdb2oniom.git

[open] [close] pdb2oniom の使い方

pdb2oniom_py [-h] -p PARMFILE -r RST7FILE -resid RESID [-n NEAR] [-o OUTPUTFILE] [--improper] [-m MEM] [--nproc NPROC]

pdb2oniom のオプション

-h: ヘルプを表示
-p PARMFILE: トポロジーファイル（parm7 ファイル）のパスを指定
-r RST7FILE: 座標ファイル（rst7 ファイル）のパスを指定
-resid RESID: QM 領域に指定する残基のリストが含まれるファイルのパスを指定
- このファイルでは、残基の名前とIDを [残基名] "残基ID" という形式で指定
-n NEAR: QM 領域から NEAR Å 以内にある残基を構造最適化の対象とする
-o OUTPUTFILE: Gaussian 入力ファイルのファイル名を指定
-m MEM: Gaussian 入力ファイルで指定するメモリ使用値を指定
--nproc NPROC: Gaussian 入力ファイルで指定するプロセッサ数を指定

基底状態の構造最適化

準備

Gaussian を実行するディレクトリに移動して、a..S0というディレクトリを作成します
- S0 は、基底状態を意味します

mkdir a..S0; cd a..S0

計算手法や計算対象ごとにディレクトリを分けるのは「個人的な好み」ですが、後で見返すときに便利ですよ。

Amber で生成した水和構造の座標ファイル（amb_wat.rst7）とトポロジーファイル（amb_wat.top）をこのディレクトリにコピーします

cp /path/to/amb_wat.rst7 /path/to/amb_wat.top .

/path/to は、amb_wat.rst7 と amb_wat.top がある場所に置き換えてください

pdb2oniom の実行

今回は OLU のみを QM 領域として扱いたいので、pdb2oniom.qm という名前のファイルに、次のように指定します
- このファイルでは、残基の名称 (ResName) と番号 (ResID) を [ResName] "ResID" で指定します

pdb2oniom.qm

[OLU] "541"

下記のコマンドを実行して、Gaussian の入力ファイル（a_S0.com）を生成します
- 今回は、QM 領域に指定した OLU と、その周囲 7 Å 以内にあるアミノ酸残基を構造最適化の対象とします

pdb2oniom_py -p amb_wat.top -r amb_wat.rst7 --resid pdb2oniom.qm -n 7 -o opt.gjf

2024-05-07 08:29:59,772 pdb2oniom.py:782 - INFO - pdb2oniom.py ver.0.3.2: Amber parm and rst7 files to Gaussian ONIOM input file.
2024-05-07 08:30:00,463 pdb2oniom.py:691 - INFO - Total charge of low layer is calculated -1
2024-05-07 08:30:00,463 pdb2oniom.py:692 - INFO - Core residues list file pdb2oniom.qm provided.
2024-05-07 08:30:00,463 pdb2oniom.py:693 - INFO - All residues within 7.0 Å from core region are free to move (0) during geometry optimization.
2024-05-07 08:30:00,545 pdb2oniom.py:146 - INFO - 758 atoms are set to be movable during geometry optimization.
2024-05-07 08:30:01,204 pdb2oniom.py:705 - INFO - Opening file opt.gjf for output ...
2024-05-07 08:30:01,208 pdb2oniom.py:708 - INFO - Successfully wrote opt.gjf file.
2024-05-07 08:30:01,208 pdb2oniom.py:709 - INFO - Opening file opt.gjf.onb for output ...
2024-05-07 08:30:01,210 pdb2oniom.py:713 - INFO - Successfully wrote opt.gjf.onb file.
2024-05-07 08:30:01,210 pdb2oniom.py:714 - INFO - pdb2oniom.py ends.

2024-05-07 08:30:01,210 pdb2oniom.py:715 - INFO - NOTE: The charges and multiplicity of high layer should be modified for your calculations. Please use GaussView 6 to modify the QM regions and link atoms.

生成された Gaussian の入力ファイル（opt.gjf）を確認してみます
- 各原子ごとに、atomtype、部分電荷、構造最適化フラグなどが設定されています
- また、QM 領域と MM 領域の原子が正しく分類されています
- 力場パラメータとして、Amber で準備したトポロジーファイルから読み込まれています

opt.gjf

%chk=opt.chk
%mem=60GB
%nprocshared=16
#p opt=(quadmac,calcfc,maxstep=5) oniom(b3lyp/6-31g(d,p):amber=softonly)
scf=(xqc,intrep,maxconventionalcyc=80) geom=connectivity nosymm iop(2/15=3) Amber=(FirstEquiv)

ONIOM inputfile generated by pdb2oniom.py from amb_wat.top and amb_wat.rst7.
Please use GaussView 6 to modify the qm region and add the link atom info.

-1 1 0 1 0 1
N-N3-0.078200    -1     68.187    60.503    45.161 L
H-H-0.220000     -1     69.050    60.619    44.639 L
H-H-0.220000     -1     67.471    60.208    44.504 L

（省略）

H-H1-0.097200     0     49.345    44.314    49.117 L
O-OH--0.613900    0     48.410    43.979    50.944 L
H-HO-0.418600     0     48.905    44.720    51.374 L
O-LO--0.563608    0     44.798    43.521    45.596 H
C-LC2-0.616170    0     45.045    44.011    44.499 H
C-LC3-0.028279    0     44.459    45.312    43.991 H

（省略）

13801
13802 13801 1.0
13803 13801 1.0 13802 1.0

HrmStr1    C  CA   469.0   1.409
HrmStr1    C   N   490.0   1.335
HrmStr1    C   O   570.0   1.229

（省略）

インプットの修正

ここで、Gaussian の計算を実行する前に、多くの場合、入力ファイルの次の部分を修正する必要があります
QM 領域の部分電荷とスピン多重度：
- 今回の場合、OLU の電荷は-1、スピン多重度は1です
  - 該当部分を-1 1 -1 1 -1 1に修正します
計算手法：
- 今回はとりあえず、B3LYP を汎関数とする DFT 計算をおこないます
  - 光吸収・発光過程を解析するときには、長距離補正を含む wB97XD や CAM-B3LYP などを使うこともあります
基底関数：
- 今回はとりあえず、6-31G(d) を使うことにしました
  - 励起状態の解析をおこなう場合には、分散関数を加えた 6-31+G(d,p) や aug-cc-pVTZ などを使うこともあります
QM/MM 境界の Link 原子：
- 今回は、設定する必要はありません
  - この情報は、GaussView を使うと簡単に追加することができます
プロセス数やメモリ：
- 分子研スパコンを使う場合、g16subコマンドが mem と nprocshared を自動で設定するので、削除しておきます

opt.gjf

%chk=opt.chk
#p opt=(quadmac,calcfc,maxstep=5) oniom(b3lyp/6-31g(d):amber=softonly)
scf=(xqc,intrep,maxconventionalcyc=80) geom=connectivity nosymm iop(2/15=3) Amber=(FirstEquiv)

LUC+OLU+AMP / ONIOM / Opt / S0

-1 1 -1 1 -1 1
（省略）

Gaussian の入力ファイルを GaussView で読み込んで、確認してみます

量子化学計算の実行

準備した Gaussian の入力ファイル（opt.gjf）を使って、計算を実行します
- 分子研スパコンを使う場合は、g16subコマンドを使って計算を実行します

g16sub opt.gjf

結果の確認

Gaussian の計算が正常に終了したら、出力ファイル（opt.out）を GaussView で開いて、構造最適化の結果を確認してみましょう
今回の場合、OLU とその周囲のアミノ酸残基だけを最適化しているので、この部分を注意深くチェックしましょう

構造最適化が収束に向かうことで、ポテンシャルエネルギーの値が段々と小さくなっていく様子も確認できますね

無事に基底状態の構造最適化が完了したことを確認できたら、次に、励起状態の解析に取り組みます

励起状態の構造最適化

今回は、励起状態の解析をおこなうために、 TD-DFT 計算をおこないます
発光過程を解析するためには、基底状態で最適化した構造を出発点として、励起状態での構造最適化もおこなう必要があります

準備

Gaussian を実行するディレクトリに移動して、b..S1というディレクトリを作成します
- S1 は、基底状態を意味します

mkdir b..S1; cd b..S1

基底状態の構造最適化で用いた入力ファイル（opt.gjf）、出力されたチェックポイントファイル（opt.chk）をこのディレクトリにコピーします

cp ../a..S0/opt.gjf ../a..S0/opt.chk .

励起状態の解析をおこなうために、Gaussian の入力ファイル（opt.gjf）を次のように修正します
- 構造データは、チェックポイントファイル（opt.chk）から読み込むように設定します
- TD-DFT を実行するためのオプション（TD）を追加します

opt.gjf

%chk=opt.chk
#p opt=(quadmac,maxstep=5) oniom(wb97xd/6-31g(d) td:amber=softonly)
   scf=(xqc,intrep,maxconventionalcyc=80) geom=connectivity nosymm iop(2/15=3) Amber=(FirstEquiv)
   geom=check

LUC+OLU+AMP / ONIOM / Opt / S1

-1 1 -1 1 -1 1

1 2 1.0 3 1.0 4 1.0 5 1.0
2
3
（省略）

量子化学計算の実行

基底状態での構造最適化と同様に、準備した Gaussian の入力ファイル（opt.gjf）を使って、計算を実行します
- 分子研スパコンを使う場合は、g16subコマンドを使って計算を実行します

g16sub opt.gjf

結果の確認

Gaussian の計算が正常に終了したら、出力ファイル（opt.out）を GaussView で開いて、構造最適化の結果を確認してみます
- 基底状態の最適化構造から、大きくは変化していないように見えますね

励起状態の構造最適化をおこなったので、発光波長を確認することができます
- 構造最適化では、励起状態の計算を何度も繰り返しているので、最後の部分を確認します

opt.out

（省略）

Excitation energies and oscillator strengths:

 Excited state symmetry could not be determined.
 Excited State   1:      Singlet-?Sym    2.5613 eV  484.07 nm  f=0.6756  <S**2>=0.000
      64 -> 65         0.69291
 This state for optimization and/or second-order correction.
 Total Energy, E(TD-HF/TD-DFT) =  -1440.12213510
 Copying the excited state density for this state as the 1-particle RhoCI density.

 Excited state symmetry could not be determined.
 Excited State   2:      Singlet-?Sym    3.4412 eV  360.29 nm  f=0.0000  <S**2>=0.000
      63 -> 65         0.65633
      63 -> 67         0.18223
      63 -> 70        -0.13934

 Excited state symmetry could not be determined.
 Excited State   3:      Singlet-?Sym    3.7633 eV  329.45 nm  f=0.1862  <S**2>=0.000
      62 -> 65         0.68324
 SavETr:  write IOETrn=   770 NScale= 10 NData=  16 NLR=1 NState=    3 LETran=      64.
 The selected state is a singlet.
 CISGrd: IGrad=2 NXY=2 DFT=T
 CISAX will form     1 AO SS matrices at one time.
 NMat=     1 NSing=     1 JSym2X= 0.
 Leave Link  914 at Sun Feb 25 14:35:24 2024, MaxMem=  2516582400 cpu:            1688.2 elap:             108.2
 (Enter /apl/gaussian/16c02/g16/l1002.exe)

 （省略）

この結果を見ると、複合体中の OLU の発光波長は 484 nm と推測されることがわかります
実は、この場合の計算は、QM 領域として設定した OLU と、MM 領域として設定した他の部分（LUC, AMP, 水分子）の静電的な相互作用を無視して計算しているので、適切な推測ではない可能性があります
最後のステップでは、励起状態の最適化構造に基づいて、QM/MM の静電的な相互作用を考慮した計算をおこないます

励起状態の一点計算

準備

励起状態の構造最適化計算で用いた入力ファイル（opt.gjf）とチェックポイントファイル（opt.chk）を使って、一点計算をおこないます

cp opt.gjf sng.gjf; cp opt.chk sng.chk

Gaussian の入力ファイル（sng.gjf）を次のように修正します
- 構造データは、チェックポイントファイル（sng.chk）から読み込むように設定します
- 一点計算をおこなうため、構造最適化のオプション（opt）を削除します
- QM/MM の静電的な相互作用を考慮するため、EmbedCharge を追記します
  - MM 領域にある原子上に力場パラメータとして設定した部分電荷を埋め込み、QM 領域の量子化学計算に反映させることで、静電的な相互作用に伴って波動関数の分極を考慮します
- 発光スペクトルの解析範囲を広げるため、td=(nstates=10) を追記します

sng.gjf

%chk=sng.chk
#p oniom(wb97xd/6-31g(d) td=(nstates=10):amber=softonly)=EmbedCharge geom=check density=current
   scf=(xqc,intrep,maxconventionalcyc=80) geom=connectivity nosymm iop(2/15=3) Amber=(FirstEquiv)

TITLE

-1 1 -1 1 -1 1

1 2 1.0 3 1.0 4 1.0 5 1.0
2
3
（省略）

量子化学計算の実行

準備した Gaussian の入力ファイル（sng.gjf）を使って、計算を実行します
- 分子研スパコンを使う場合は、g16subコマンドを使って計算を実行します

g16sub sng.gjf

結果の確認

出力ファイル（sng.out）のなかで、発光波長の値を確認してみます

sng.out

（省略）

 Excited state symmetry could not be determined.
 Excited State   1:      Singlet-?Sym    2.4769 eV  500.57 nm  f=0.6143  <S**2>=0.000
      62 -> 65         0.11191
      64 -> 65         0.69184
 This state for optimization and/or second-order correction.
 Total Energy, E(TD-HF/TD-DFT) =  -2290.10091116
 Copying the excited state density for this state as the 1-particle RhoCI density.

 Excited state symmetry could not be determined.
 Excited State   2:      Singlet-?Sym    3.3859 eV  366.18 nm  f=0.0000  <S**2>=0.000
      63 -> 65         0.66051
      63 -> 67         0.16456
      63 -> 70        -0.13853

 Excited state symmetry could not be determined.
 Excited State   3:      Singlet-?Sym    3.6712 eV  337.72 nm  f=0.2296  <S**2>=0.000
      62 -> 65         0.68307
      64 -> 65        -0.10426

（省略）

複合体中の OLU の発光波長は、静電的な相互作用を考慮する前は 484 nm と推測されていましたが、静電的な相互作用を考慮することで長波長側に 16 nm 程度シフトした 501 nm と推測されることがわかります
もしかすると、シフトの値が意外に小さいので、OLU の発光に対する LUC の環境の影響は小さい？と思うかも知れませんが、私たちが現在取り組んでいる解析の結果から、OLU の発光波長は LUC によって巧みに制御されていることがわかっています

さいごに

ホタル生物発光の量子化学計算は、ONIOM 法で酵素反応などを解析する場合と同じような手順なのですが、発光基質アナログを分割するなど、独自の工夫も必要となります
私たちヤマラボでは、ホタル生物発光について、古代ホタルの発光色が制御されるメカニズムを調べたり、生体透過性に優れた人工発光基質の発光強度を向上させるための分子設計などにも取り組んでいます
- もし興味を持っていただけるようでしたら、共同研究、技術相談、セミナー、などなど、気軽にお問い合わせください

計算化学量子化学

Posted : 24.05.05