きょうの日経サイエンス

2013年10月9日

2013年ノーベル化学賞 巨大分子の化学反応を計算する手法に

 2013年のノーベル化学賞は,タンパク質のような巨大な分子の化学反応を,コンピュータを使って効率よく計算する手法を開発した米ハーバード大学のカープラス(Martin Karplus)博士,スタンフォード大学のレビット(Michael Levitt)博士,南カリフォルニア大学のウォーシェル(Arieh Warshel)博士の3氏に贈られることになりました。

 

 タンパク質のように巨大な分子がどのようにほかの物質と反応していくかを計算で予測するのは,生命現象を理解したり,薬などを開発する上で強力な武器になります。そうした反応を担うのは個々の原子や電子で,その振る舞いを記述するのは量子力学です。

 

 しかしタンパク質を構成する原子は数千~数万個を超えます。生物の体内では,そのタンパク質がさらに何万個もの水分子に囲まれています。そうした多数の粒子からなる巨大なシステム全体の振る舞いを量子力学の式を使って計算しようとすると,とてつもない計算量が必要になり,最高性能のスパコンを使っても実行できません。

 

 この問題を回避し,巨大分子の化学反応をコンピューターで計算する手法を開発したのが,今回化学賞を受賞する3氏です。

 

 基本方針は「分業」です。原子同士が新たに結合したり,逆に離れたりとダイナミックに相互作用している部分は,量子力学を使って計算します。一方,反応に直接かかわっていない離れた部分は,量子力学を近似する古典力学に従って振る舞うと想定して計算します。こうした2つの計算を組み合わせたハイブリッドな手法を開発し,化学反応を計算で明らかにする道を開きました。

Nobel20131009

 例えば平面的に原子が並んでいる様々な分子において,原子どうしの結合を担う電子(σ電子と呼びます)については古典力学的に,原子に束縛されず分子全体に広がっている電子(π電子といいます)については量子力学的に計算して,全体のエネルギー構造を求めました。また多糖類を分解する酵素リゾチームの作用は,糖と反応して切断する活性を持った場所(イラストの枠で囲んだ部分)については量子的に,それ以外の部分は古典的に計算し,その過程を解明しました。

 

 3人が開発した手法は現在も,薬と目的のタンパク質との間の相互作用を予測する創薬シミュレーションや,生体内で起きている様々な化学反応を解明するのに,広く用いられています。

 

 計算生物学が専門の関嶋政和東京工業大学准教授は「まだ計算機が今のように発達していなかった時代に,計算化学の重要性を見越して新しい手法を開発し,非常に先見の明がありました。またこの分野では日本の貢献も大きく,諸熊奎治先生(京都大学福井謙一記念研究センターシニアリサーチフェロー)らも非常に重要な仕事をされています」と話しています。

(編集部・古田彩)

 


【関連記事のご紹介】

 日経サイエンスでは受賞されるカープラス博士,スタンフォード大学のレビット博士による記事を掲載しています。そのうち以下の2本を電子版で復刻し,特別価格にてダウンロード販売致します。

 

1986年6月号「タンパク質分子の動的なシミュレーション」  M. カープラスほか

1999年3月号「生命を演出する水分子」  M. レビットほか