【GROMACS】金属イオンを含む標的へタンパク質へのMD設定 【in silico創薬】

【この記事のまとめ】

メタロプロテイン（金属含有タンパク質）の分子動力学（MD）シミュレーションに取り組む研究者を対象に、GROMACSで定義されていない金属イオン（例：Mn²⁺）のパラメータを力場に追加し、エラーなく計算を実行するための具体的な手順を解説します。

• 致命的エラーの回避: gmx pdb2gmx実行時に発生する「Residue ‘MN’ not found」というエラーを解決するため、力場ディレクトリ（amber99sb-ildn.ff等）の内部ファイルを直接編集・カスタマイズする手法を提示。
• 物理的パラメータの厳密な設定: Lennard-Jones（LJ）ポテンシャルの$\sigma$（シグマ）や$\epsilon$（イプシロン）といった非結合パラメータについて、最新の文献（Rational Design…等）に基づいた具体的な数値の追加方法を詳説。
• トポロジーの整合性確保: atomtypes.atpでの原子定義から、ffnonbonded.itpでの電荷設定、aminoacids.rtpでの残基登録まで、PDBファイルと力場を紐付ける一連のワークフローを公開。

この記事を読み進めることで、デフォルトの力場では扱えない金属イオンを含む系でも、原子レベルで物理学的に正しい設定を行い、高精度なシミュレーションを開始できるようになります。

力場への金属イオンの追加

力場ファイルの確認

今回はamber99sb-ildn　の力場に対して、Mnを追加することを行います。

例えば以下の論文で使われているHuman arginase I (HARGI)(PDB:2AEB)を参考にしてください。

QM/MM Simulations for the Broken-Symmetry Catalytic Reaction Mechanism of Human Arginase I

まずエラーが起きる箇所ですが、タンパク質の準備の時に以下のコードを行います。

gmx pdb2gmx -f protein.pdb -o protein_processed.gro -ignh

amber99sb-ildn , TIP3P を選択します。

以下のエラーが出ると思います。

-------------------------------------------------------
Program:     gmx pdb2gmx, version 2024
Source file: src/gromacs/gmxpreprocess/resall.cpp (line 616)

Fatal error:
Residue 'MN' not found in residue topology database

For more information and tips for troubleshooting, please check the GROMACS
website at https://manual.gromacs.org/current/user-guide/run-time-errors.html
-------------------------------------------------------

MnがGROMACSの設定ファイルに定義されていないというエラーが出ます。

以下で解決していきます。

まずはgromacsファイルの場所を確認しましょう。以下を実行してください。

which gmx

以下のような場所が表示されると思います。

\\wsl.localhost\Ubuntu\usr\local\gromacs\share\gromacs

この階層から、さらにtop ディレクトリに移動すると、以下のように力場のファイルが見れます。

この中身の設定を変えていくわけですが、このディレクトリのものは直接変更できないので、amber99sb-ildn.ff をコピーし、作業ディレクトリに移動させ、amber99sb-ildn_Mn.ff などと名前を変更するとよいです。

Lennard-Jonesパラメータとは？

今回修正するパラメータLennard-Jones（LJ)について、説明しておきます。

数式が苦手な人は飛ばしても大丈夫です。

LJポテンシャルは、2つの非結合原子（または分子）間の相互作用エネルギーを計算する式です：

$$ V®=4\epsilon \left[ \left(\frac{\sigma}{r} \right)^{12} – \left( \frac{\sigma}{r} \right)^6 \right] $$

GROMACSではこのϵとσのパラメータにより、シミュレーションをしています。

金属によってはこの値が設定されていないので、これから追加していくことになる訳です。

まだまだ研究されているので、その時々に応じて、値は見直す必要がありますが、以下の論文を参考にしていることが多いので、今回も以下の論文を参考にします。

Rational Design of Particle Mesh Ewald Compatible Lennard-Jones Parameters for +2 Metal Cations in Explicit Solvent

Mnイオンのトポロジーとパラメータの追加

以下のようにMnの情報を追加していきます。

• 原子タイプの定義: 力場のatomtypes.atpファイルにマンガンイオンの原子タイプを追加します。例えば、以下のように記述します：

  
  MN   54.938
  

  ここで、MNはマンガンの原子タイプ名、54.938は原子量です。

  以下のような感じです。（EditorはVS codeを使用しています。）

• 非結合パラメータの設定: ffnonbonded.itpファイルにマンガンイオンの 12-6 Lennard-Jones（LJ）パラメータと電荷を追加します。

  [ atomtypes ]
  ; name  at.num  mass     charge ptype  sigma      epsilon
  MN   　　　25      54.938   2.0     A  2.507e-01    1.686710e-02 ;追記
  

  項目	内容
  MN	原子タイプ名。ここでは マンガンイオン（Mn²⁺） の記号として使用。
  25	原子番号（マンガンは 25）
  54.938	原子質量（amu）
  2.0	電荷。ここでは2価陽イオン（Mn²⁺）なので +2
  A	ptype。相互作用のタイプ。A = Atom 型（Lennard-Jones）
  0.2411	σ（sigma）値。Lennard-Jonesポテンシャルの距離パラメータ（nm）
  0.000650	ε（epsilon）値。Lennard-Jonesポテンシャルの深さ（kJ/mol）

  ここで、sigmaとepsilonの値は文献や既存の力場から取得する必要があります。

  今回は以下の文献を参照しています。

  Rational Design of Particle Mesh Ewald Compatible Lennard-Jones Parameters for +2 Metal Cations in Explicit Solvent

  状況により様々な値が提唱されていますが、CMセットの値を使用すると良いと思います。

続いて`ions.itp` にマンガンのLennard-Jonesパラメータを追加してください。

```
[ moleculetype ]
; molname       nrexcl
MN              1

[ atoms ]
; id    at type         res nr  residu name     at name  cg nr  charge
1       MN              1       MN              MN       1      2.00000
```

• 残基トポロジーの追加: aminoacids.rtpファイルにマンガンイオンの残基エントリを追加します：

  
  [ MN ]
   [ atoms ]
     MN     MN           2.00000     1
  

  このエントリは、pdb2gmxがマンガンイオンを認識するために必要です。

  

• PDBファイルの修正:

  • PDBファイル内のマンガンイオンの残基名が、上記で定義したもの（例：MN）と一致していることを確認します。
  • Chain IDは消す。
  • TER を最後に1つだけ入れる

  
  TER   14278      ASP B 475
  HETATM14279 MN   MN    502      19.932 113.115  40.364  1.00  6.51          Mn
  HETATM14280 MN   MN    503      17.029 112.013  38.782  1.00  5.46          Mn
  HETATM14281 MN   MN    502     -20.278 113.553  14.517  1.00  7.30          Mn
  HETATM14282 MN   MN    503     -17.185 112.311  16.003  1.00  8.23          Mn
  TER
  CONECT 153814279
  CONECT 203114280
  CONECT 203214279
  CONECT 256314280
  

金属イオンの追加した力場でのタンパク質準備

以上を修正すると、先ほどエラー出た以下のコードが実行できます。

• pdb2gmxを再実行して、新しいトポロジーファイルを生成します。

gmx pdb2gmx -f protein.pdb -o processed.gro -ignh -ff amber99sb-ildn_Mn

生成したtopol.topは以下のようになっています。other系にMnの情報が入っています。

;
;	File 'topol.top' was generated
;	By user: unknown (1000)
;	On host: DESKTOP-5I5GHRA
;	At date: Thu Jun 26 07:32:16 2025
;
;	This is a standalone topology file
;
;	Created by:
;	                     :-) GROMACS - gmx pdb2gmx, 2024 (-:
;	
;	Executable:   /usr/local/gromacs/bin/gmx
;	Data prefix:  /usr/local/gromacs
;	Working dir:  /home/shizuku/Honnma_san/Protein_Ligand/Protein_known_lig_amber99ildn
;	Command line:
;	  gmx pdb2gmx -f protein.pdb -o processed.gro -ignh -ff amber99sb-ildn_Mn
;	Force field was read from current directory or a relative path - path added.
;

; Include forcefield parameters
#include "./amber99sb-ildn_Mn.ff/forcefield.itp"

; Include chain topologies
#include "topol_Protein_chain_A.itp"
#include "topol_Protein_chain_B.itp"
#include "topol_Other.itp"

; Include water topology
#include "./amber99sb-ildn_Mn.ff/tip3p.itp"

#ifdef POSRES_WATER
; Position restraint for each water oxygen
[ position_restraints ]
;  i funct       fcx        fcy        fcz
   1    1       1000       1000       1
; Include topology for ions
#include "./amber99sb-ildn_Mn.ff/ions.itp"

[ system ]
; Name
protein A(仮）

[ molecules ]
; Compound        #mols
Protein_chain_A     1
Protein_chain_B     1
Other               1

ここから先の処理に関しては、同じで大丈夫です！

最後に

いかがでしたでしょうか？今回はGROMACSのファイルの中身を修正していくという内容で、少し難しかったかもしれません。お疲れ様でした！金属イオンが活性に重要なメタロプロテインは自然界に多く存在するので、これを機に取り扱い方を慣れておきましょう！