目次 Discovery Studio 利用の手引き 1 1. はじめに 利用できるバージョン 概要 マニュアル 2 2. TSUBAME での利用方法 Discovery Studio の起動 Server Gatewayの設定 3 2.

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1 DiscoveryStudio 利用の手引 東京工業大学学術国際情報センター version 1.6

2 目次 Discovery Studio 利用の手引き 1 1. はじめに 利用できるバージョン 概要 マニュアル 2 2. TSUBAME での利用方法 Discovery Studio の起動 Server Gatewayの設定 ライセンス使用状況の確認 Discovery Studio Client のライセンス設定が正常にされているかどうかの判定について 4 3. Discovery Studio の GUI 構成 5 4. モデリング モデルの一般的な構築 一次構造からペプチドの構築 PDBサイトの利用 解析例 22 改版履歴 31

3 Discovery Studio 利用の手引き Discovery Studio 利用の手引き 1. はじめに 本書は,Discovery Studio を東京工業大学学術国際情報センターの TSUBAME で利用する方法について説明しています. また,TSUBAME を利用するにあたっては, TSUBAME 利用の手引き もご覧下さい. 利用環境や注意事項などが詳細に記述されております. アクセルリス株式会社では Discovery Studio に関する Web ページを公開しています. 下記のアドレスを参照してください 利用できるバージョン TSUBAME で利用可能なバージョンは次の通りです. Discovery Studio アプリケーション名 バージョン 2.5.5, 3.1, 3.5, 4.0 SP1, 4.5, 2017 R2 1.2 概要 タンパク質モデリング及び計算化学のためのモデリング シミュレーション環境です. プロジェクト発案から Lead 最適化まで, 単一の使いやすいインターフェースから, 最高品質のソフトウェアへアクセスすることができます. Discovery Studio に含まれるモジュールは以下の通りです. DS Modeling Visualizer Pro 3 次元構造, ファイルの可視化,3 次元構造においての原子 分子の編集が可能. シーケンスウィンドウでマルチプルアライメントを表示. シーケンスウィンドウと 3 次元構造ウィンドウが相互に反映. DS Biopolymer ポリペプチドのシーケンスをウィザードから入力 ( 選択 ) することで, ペプチド構築, 編集が可能. タンパク質やリガンドなどを同一ウィンドウ, あるいは別々のウィンドウで同時に表示可能. タンパク質等の構造エラーを自動的に修正. DS CHARMm( 分子力学 動力学計算モジュール ) 低分子から生体高分子に最適化された力場パラメータを備えており, 豊富な実績を持つ, 高度に認められ広く使われるシミュレーションパッケージ. DS Analysis DS CHARMm モジュールを使用して, 計算した結果の解析及びアニメーション化 DS MODELER 自動的にタンパク質をホモロジーモデリング. ウィザードの使用で簡単にループ修正. シーケンスアライメント (2D,3D) が実行可能. 拘束定義 (Cis-prolines,disulphide bonds), アライメントの作成 ( シーケンスの identity/similarity 値を表示 ). DS Protein Similarity Search タンパク質シーケンスのホモロジーを識別. Web, ローカルのデータベースより検索 (BLAST,gapped-BLAST,PSI-BLAST), ソートテーブル, ヒットテーブル, アラインシーケンスを自動的に作成. DS CFF 生体高分子及び低分子のための CHARMm の力場オプション 1

4 1.3 マニュアル DS Delphi Poisson-Boltzman 関数を使用した静電荷及び溶媒和計算. 3 次元静電荷エネルギー表示 ( グリッド, 体積, 固体 ), Delphi での静電荷ポテンシャルに基づいて色で表示. DS Protein Families 進化系統樹を用いてタンパク質の機能に重要な残基を解析. マルチプルシーケンスアライメント. Aline123 法 (ClustalW を改良 ). Pre-aligned プロファイルの選択可. structure-base シーケンスアライメント シーケンスの進化関係,conservation パターンを元にファミリータンパク質を解析. 側鎖距離と露出残基によって残基をクラスター化. DS Protein Health Profiles-3D を使用して, タンパク質構造を評価. タンパク質全体, あるいは残基単位での計算が可能. タンパク質構造のクオリティを, 色と太さでリボン表示. DS LigandFit タンパク - リガンドの親和性評価を高速 / 高精度に実行. Cavity 検索による活性部位探索. 高速モンテカルロによるコンフォメーション空間の検索. エネルギーグリッド計算を用いたドッキング配置 / 配座の高速な評価. DS LigScore 独自スコアリング関数 LigScore2 を含む各種スコアリング関数でタンパク - リガンドの結合親和性をスコア評価. DS Ludi タンパク構造既知, ターゲットリガンド構造未知の場合のリガンドの de novo デザイン. タンパク質の結合部位に立体的化学的に適合. リガンド - タンパク質複合体のスコアリング. 結合親和性を増加させるような既知リガンド改変の示唆. 1.3 マニュアル Windows 版 Discovery Studio にヘルプがございます. Discovery Studio 起動後にメニューバーから Help を選択してください. 2. TSUBAME での利用方法 2.1 Discovery Studio の起動 Discovery Studio を起動するには, スタート すべてのプログラム Accelrys Discovery Studio ( バージョン名 ) Client をクリックします. バージョン 4.0 SP1 の, 起動画面は次の通りです. 2

5 2.2 Server Gateway の設定 終了する場合は,[File]-[Exit] を選択してください. 2.2 Server Gateway の設定 計算を行うためには, 計算を実行するサーバの設定が必要になります. 設定は, ツールバーから File Change Server を選択し, 次のダイアログ上で行います. TSUBAME 上の専用計算サーバで計算を行う場合 TSUBAME 上の専用計算サーバ (CPU: 24core, メモリ : 24GB) を計算実行サーバとして指定できます. ただし, このサーバは他のユーザがジョブ実行中でリソースの一部を消費していたり, メンテナンス中で停止している場合もあるため, 予めご了承ください. 設定内容はバージョンごとに異なります. Server name 欄に, 次の表から対応する内容を入力し, 設定してください. アプリケーションバージョン Discovery Studio :9943 Discovery Studio :3143 Discovery Studio :3543 Discovery Studio 4.0 SP :4043 Discovery Studio :4543 Discovery Studio 2017 R2 PC 上で計算を行う場合 (Ver 4.0 SP1 の場合 ) Server Name 専用サーバでの提供はありません 3

6 2.3 ライセンス使用状況の確認 Server name 欄に localhost:4043 を入力し,OK ボタンを押します. Discovery Studio Server インストール手順において HTTPS PORT に 4043 以外の数値を設定している場合は, 4043 の部分を差し替えてください. 設定後, 次の画像のように, 画面右下に設定した内容が表示されていると, 正しく設定されています. 2.3 ライセンス使用状況の確認 TSUBAME 全体で同時利用できる token 数には上限があります. (Materials Studio, Discovery Studio 共用で 40token まで.12 月 ~2 月は 80token まで ) TSUBAME にログインした状態で, 次のコマンドにより, ライセンス利用状況を確認できます. $ lmutil lmstat -S msi -c 27060@t2zlic01 備考 [ 参考 ] 学内端末の場合はさらに以下の制限があります. 学内全体で 20 token まで 学内全体の CASTEP は 4 token まで 配布中の Biovia 製品 (Materials Studio/Discovery Studio) のライセンス制限について - ac.jp/node/1493 BIOVIA 製品 (Materials Studio/Discovery Studio) のライセンス制限について ( 追加 ) - c.jp/node/ Discovery Studio Client のライセンス設定が正常にされているかどうかの判定について Accelrys 製品のライセンス設定時に, 環境によっては Status 欄が Cannot connect になる場合があります. ただし,Discovery Studio Client の起動に成功すれば, ライセンスの設定は正常に完了しています. 4

7 3. Discovery Studio の GUI 構成 そのため, ライセンス設定が正常にされているかどうかの確認時は Cannot connect の表示は無視し, Discovery Studio Client の起動可否で判定するようにしてください. 3. Discovery Studio の GUI 構成 Discovery Studio の GUI 構成について説明します. (1) 基本的な構成 Discovery Studio の GUI 構成は下図の通りです. (2) 基本設定の確認 変更 GUI の基本設定の確認 変更を行うには, Edit Preferences を選択します. 5

8 3. Discovery Studio の GUI 構成 Preferences ウィンドウが立ち上がります. Molecule Window Graphics を選択します. ここでは, 分子の表示形式や背景色の設定を行います. 設定を反映させる場合は, Apply ボタンをクリックします. 6

9 3. Discovery Studio の GUI 構成 Protocols を選択します. ここでは,Protocol 実行のための設定を行います. 例えば,Use default path to save a job のチェックボックスを外すと, Protocol 実行時にジョブフォルダ名や保存場所を変更できます. チェックボックスを外さない場合, デフォルトのフォルダに計算結果が自動的に保存されます. 設定を反映させる場合は, Apply ボタンをクリックします. 7

10 3. Discovery Studio の GUI 構成 (3) アイコンの設定 確認 ツールバーアイコンの設定 確認を行います. View Toolbars を選択すると, さらにメニューが表示されます. 表示されたメニューの中でチェックが入っているものが現在ツールバーアイコンとして表示されているものです. 表示 非表示はそれぞれのメニューをクリックすることで行えます. 8

11 3. Discovery Studio の GUI 構成 (4)Files Explorer タブの設定 確認 Files Explorer タブの設定 確認を行います.Files Explorer では, Windows のエクスプローラと同様なことを行えます. 例えば,My Documents フォルダに新規フォルダ Sample を作成する場合, Files Explorer の My Documents を選択して, 右クリックします. 表示されるメニューの New Folder を選択します. 9

12 4. モデリング New Folder ウィンドウが立ち上がります.Name に Sample と入力し, OK ボタンをクリックします. My Documents フォルダを展開し,Sample フォルダを選択し, 右クリックします. 表示されるメニューの Set as Default を選択します. これで,Discovery Studio で実行した結果の保存先がフォルダ Sample になります. デフォルトフォルダに設定されるとフォルダアイコンの背景色が青になります. 4. モデリング この章では, モデルの構築方法について, 説明します. 4.1 モデルの一般的な構築 メニューバーの File New Molecule Window を選択し, 新規に 3D Window を開きます. Toolbars に Sketching バーが表示されていない場合は, View Toolbars Sketching Chemistry を選択し, Ch emistry バーを表示させます. 10

13 4. モデリング モデルの構築において, 主に次のツールバーを使用します. Sketch: 原子を一つ一つ組み上げて分子を構築します. Chain: 鎖状構造を持つ分子の構築に利用します. Ring: 環状構造をもつ分子の構築に利用します. Add Hydrogens: 水素原子を付加します. Single Bond,Double Bond,Aromatic Bond,Triple Bond: 結合方法を指定します. Clean Geometry: 構造をある程度整った形に整形します. ベンゼンの構築例として, ベンゼンの構築, ベンゼンから他分子への修正について, 説明します. 新規 3D Windowを開きます.Ringバーをクリックします. 11

14 4. モデリング 3D Window 内でクリックします. 自動的に次のような炭素原子の構造が作成されます. 構築されたモデルにおいて, 炭素原子間の結合状態は単結合です. これらを芳香環に変更する必要があります. Select Tool を利用して全ての炭素原子を選択します. Aromatic Bond ボタンをクリックします. 12

15 4. モデリング これら炭素原子から構成される構造が芳香環に変更されました. 次に水素原子を付加します.Add Hydrogens ボタンをクリックします. 13

16 4. モデリング 以下のように水素原子がそれぞれ炭素原子に付加されます. 以上で, ベンゼンの構築は終了です. ベンゼンから他分子への変更 14

17 4. モデリング 上述の ベンゼンの構築 の通り作成したベンゼンをベースに, 他の分子への変更方法について, 説明します. 今回はベンゼン (C6H6) からフェノール (C6H5OH) に変更します. 1 つの水素原子を選択します. 選択した水素原子の上で右クリックします. 表示されるメニューから Element O を選択します. 選択した水素原子が酸素原子に置き換わります. 15

18 4.2 一次構造からペプチドの構築 水素原子を付加します.Add Hydrogens ボタンをクリックします. 置換した酸素原子に水素原子が付加されます. これでフェノールが完成です. 4.2 一次構造からペプチドの構築 16

19 4.2 一次構造からペプチドの構築 メニューバーの File New 3D Window を選択し, 新規に 3D Window を開きます. 特定のペプチドシークエンスを作成します. Tools Explorer の Build and Edit Protein をクリックします. Build and Edit Protein パネルが Tools Explorer に展開されます. このパネルにて,Build Action の下矢印をクリックし, 表示されるメニューから Create/Grow Chain を選択します. どのようなコンフォーメーションを作るか指定します. Choose Conformation の下矢印をクリックし, 表示されるメニューから Extend を選択します. 次にペプチドのシークエンスを入力します. 入力には,2 種類の方法があります. Choose Amino Acid リストから選択する 直接ペプチドシークエンスを入力する まず,Choose Amino Acid リストから選択する方法でシークエンスを入力します. Choose Amino Acid ツールグループにて, リストアップされている残基を選択します. Choose Amino Acid リストの中からアスパラギン (Asn) を選択します. アスパラギン残基が 3D Window に表示されます. 17

20 4.2 一次構造からペプチドの構築 さらに, 順にロイシン (Leu), チロシン (Tyr), イソロイシン (Ile), グルタミン (Gln) を選択します. 下図のようにモデルが 3D Windo w に表示されます. 続いて, 直接ペプチドシークエンスを入力する方法で, シークエンスを入力します. 18

21 4.2 一次構造からペプチドの構築 C 末端のグルタミンがハイライトされていることを確認して下さい. ハイライトされていない場合は, ダブルクリックして選択して下さい. Choose Amino Acid リストから, Specify を選択します. Enter an Amino Acid Sequence ウィンドウが立ち上がります. シークエンスパラメータボックスに WLKDGG を入力し, OK ボタンをクリックします. 以下のように 3D Window に 6 残基が追加されます. 19

22 4.3 PDB サイトの利用 続いて, 同様に 9 残基 PSSGRPPPS を追加します. 以下のように表示されます. 4.3 PDB サイトの利用 Discovery Studio を起動する PC がインターネットに接続できる場合, PDB サイトから構造を読み込むことができます. まず, Discovery Studio のインターネット接続設定を行います. Edit Preferences を選択します. Prefrences ウィンドウが立ち上がります. 左フレームの Files Explorer Internet Proxy を選択します. Proxy Settings において, Manual Proxy Configuration を選択し, Use same proxy for all protocols にチェックを入れます. HTTP Proxy, Port にはそれぞれプロキシサーバの IP アドレス, ポート番号を入力します. 20

23 4.3 PDB サイトの利用 次に, 実際に PDB サイトに接続し, データを入手します. File Open URL を選択します. Open URL ウィンドウが立ち上がります. 今回はこのまま Open ボタンをクリックします. デフォルトの設定で,PDB ID は 1crn となっています. 以下のようにデータが表示されます. 21

24 5. 解析例 以上で, モデリングに関する説明は終わりです. 5. 解析例 この章では, 解析例として, エネルギー極小化の計算方法を取り上げます. この節では, 4.2 一次構造からペプチドの構築 で構築したペプチドを基に説明をします. 4.2 一次構造からペプチドの構築 を参考に, ペプチドを構築して下さい. 二次構造の特定 実験からこのペプチドは下記の二次構造を持っています. 2~ 8 残基 α-helix 11~14 残基 310-helix 15~20 残基 polyproline Ⅱ helix 3D Window をアクティブにします. いずれかの原子 分子が選択されている場合は, バックグランドをクリックして, 選択されている状態をオフにします. まず, ペプチドの個々の残基に, アミノ酸タイプ及びシークエンスの番号付けによって, ラベルを付加します. Structure L abels Add をクリックします. Label ウィンドウが立ち上がります. Object において AminoAcid,Attribute において 1-Latter & ID# を選択します. 22

25 5. 解析例 選択, 設定が終わりましたら, OK ボタンをクリックします. 下図のようにラベルが付加されます. シークエンスウィンドウを表示させます. Sequence Show Sequence を選択します. Sequence Window が表示されます. 23

26 5. 解析例 3D Window において,2 番目の残基 L2 をダブルクリックして, 選択してください. Sequence Window において, 自動的に 2 番目の残基が選択されます. 2~8 番目の残基の二次構造を指定するために, それら残基を選択します. Sequence Window において, 左から 2 番目の L を,Shift キーを押しながらクリックし, 左から 8 番目の K までドラッグします.3D Window において, 自動的に対応する残基が選択されます. 24

27 5. 解析例 残基が選択されている状態を保ちつつ,3D Window をアクティブにします. Tools Explorer において,Build and Edit Protei n を開きます. Choose Confirmation の下矢印をクリックし, 表示されるメニューを Extended から Right-hand Alpha Helix に変更します. Apply Confirmation をクリックします. 25

28 5. 解析例 選択した 2~8 番目の残基のコンフォーメーションが extended から α-helix に変更されました. 続いて,11~14 番目の残基の二次構造を指定するために, それら残基を選択します. Sequence Window において, 左から 1 1 番目の G を,Shift キーを押しながらクリックし, 左から 14 番目の S までドラッグします.3D Window において, 自動的に対応する残基が選択されます. 残基が選択されている状態を保ちつつ,3D Window をアクティブにします. すでに開かれている Tools Explorer の Build and Edit Protein において, Right-hand Alpha Helix を 3-10 Helix に変更します. Apply Confirmation をクリックします. 選択した 11~14 番目の残基のコンフォーメーションが 310 helix に変更されました. 最後に,15~20 番目の残基の二次構造を指定するために, それら残基を選択します. これらの残基は polyproline Ⅱ helix に存在します. この特殊な二次構造はリストに表示されていません. phi 角,psi 角をそれぞれ,-75 度,145 度に設定すると必要なコンフォーメーションにすることができます. Sequence Window において, 左から 15 番目の G を,Shift キーを押しながらクリックし, 左から 20 番目の S までドラッグします.3D Window において, 自動的に対応する残基が選択されます. 残基が選択されている状態を保ちつつ,3D Window をアクティブにします. すでに開かれている Tools Explorer の Build and Edit Protein において, 3-10 Helix を Specify に変更します. Peptide Backbone Conformation Angle ウィンドウが表示されます. Phi Angle を -75 に,Psi Angle を 145 に設定します. Apply Confirmation をクリックします. 選択した 15~20 番目の残基のコンフォーメーションが polyproline Ⅱ helix に変更されました. 26

29 5. 解析例 選択を解除し, Fit to Screen ボタンをクリックし, 全体構造を中心に配置します. 力場, 原子タイプ及び電荷の設定 側鎖とペプチド末端の電荷を設定する前に, まず, 力場の設定をする必要があります. 今回は Charmm27 を使用します. SIMULATION を選択し,Tools Explorer の Change Forcefiled を開きます. 27

30 5. 解析例 Forcefield において,charmm27 を選択します. Apply Forcefiled をクリックし, 力場を設定します. Focefield Status に Molecule typed with charmm27 と表紙され, Forcefield が正しく設定されたことを確認します. Edit Preferences を選択します. Preferences ウィンドウが立ち上がります. 左フレーム内の Forcefiled を選択します. Adjust hydrogens to comply with the forcefield にチェックが入っていることを確認します. 28

31 5. 解析例 エネルギー極小化計算の実行 SIMULATION を選択し,Tools Explorer の Run Simulations を開きます. エネルギー極小化計算のための Minimization プロトコルをダブルクリックします. 計算で使用される様々なパラメータを設定します. 29

32 5. 解析例 Parameter Explorer において,1 行目の Parameter Value のセルをクリックします. 自動的に File 名 :Molecule と記入されます. 計算を実行するため,Run ボタンをクリックし計算を始めます. ジョブが終了すると Job Completed ウィンドウが立ち上がります.OK ボタンをクリックし, このウィンドウを閉じます. 30

33 改版履歴 計算結果の確認 計算を実行している間, 結果は, 指定したフォルダにフォルダを作成し, その中に自動的に保存されます. デフォルトでは,My Document になります. このフォルダは, プロトコル名 _ 年月日 _ 時間という名前で作成されます. フォルダの Output フォルダに計算結果ファイルが作成されます. 出力結果は, 使用したプロトコルにより変わります. 今回は, 以下に示したファイルが作成されます. charmm.log Molecule.mol2 Output.log ファイル名 内容 CHARMm プロトコルを用いたときに作成されるファイルです. 計算内容が記述されています. エネルギー最小化の計算結果が MOL2 形式で出力されたファイルです. 計算サーバからのコマンドとその返答の内容を保存したファイルです. もし, 計算が失敗になった場合, 本ファイルを参照し, 問題点を見出してください. Report.htm 計算結果を簡単に纏めた HTML 形式のファイルです. 改版履歴 版数日付項目内容 version 年 11 月 1 日 -- 初版作成 version 年 9 月 1 日 2.2 追加 : バージョン 3.1 の情 報を追加 version 年 9 月 10 日 2.2 追加 : バージョン 3.5 の情 報を追加 31

34 改版履歴 version 年 6 月 6 日 2.4 追加 : ライセンス設定が正 常にされているかどうかの 判定方法を追加 version 年 4 月 17 日 2.2 追加 : バージョン 4.0 SP1 の情報を追加 version 年 5 月 13 日 2.2 追加 : PCによる計算の設定 方法を追加 version 年 7 月 16 日 2.2 追加 : バージョン 4.5 の情 報を追加 version 年 5 月 11 日 2.2 追加 : バージョン 2017 R2 の情報を追加 32