Absolute Binding Affinity of a Phospholipid for a Membrane Protein: Alchemical Free Energy at Atomistic Resolution
膜タンパク質ELICへのリン脂質POPGの絶対結合親和性を全原子FEP(SAFEP)で初算出 — Santiago-McRae et al., ChemRxiv 2025
🎯 柔軟なリン脂質POPGがイオンチャネルELICのクライオEM密度サイトをどれだけ強く占有するかを、理論的に厳密な全原子アルケミカルFEPで定量する。
① 背景と課題

膜タンパク質の機能はリン脂質環境に依存し、特異的脂質結合が配座変調の有力機構とされる。その定量指標である絶対結合親和性を測る汎用実験法は存在しない。pLGICモデルのELICはPOPGに感受性で、クライオEM(PDB 8D66)で脂質様密度が見える。

脂質は柔軟・分岐鎖で表在的サイトに結合 → 従来のFEP拘束・結合定式化が不向き
脂質の遅い拡散 → 既存研究は粗視化に依存、全原子の収束が困難
実験は親和性を孤立サイトで測れず、構造と機能を同時取得できない

→ FEPは端点のみサンプルし拡散制約を受けない。柔軟脂質に頑健なCVがあれば全原子ABFEが可能になるはず。

② 手法の概要: SAFEP 二重デカップリング
SAFEP 二重デカップリング (NAMD3 / CHARMM36m)バルク膜 POPGdecouple → ΔGbulkサイト POPGDBC拘束 decoupleTI: ΔGDBC解析: ΔGV合算サイクルΔGbindDBC CV (6Å)Colvars/VMD

バルクとサイトで別々にリガンドをデカップリング。表在的・柔軟リガンドの結合状態は参照ポーズへのRMSD型CV「DBC」(閾値6Å)で定義。ΔGbind=ΔGbulk+ΔGV+ΔGDBC−ΔGsite。

③ 本研究で示したこと
  • 柔軟リン脂質-タンパク質の全原子ABFEを厳密FEPで初算出 (ΔGbind=-9.7±0.8 kcal/mol)
  • DBC集団変数でリン脂質の柔軟性に頑健な収束を達成 (3µs/replica, N=5)
  • バルク膜の弱い非理想性は結合予測にほぼ影響しない
  • 骨格結合状態でヘッドグループは2配座(R117/R318水素結合)を取り、機能調節と占有の乖離を示唆
④ 主な結果 (a) サイクル各項
83.6ΔGbulk92.3ΔGsite0.4ΔGDBCサイクル各項 (kcal/mol)
④ 主な結果 (b) ABFE vs RBFE
-ΔGbind (kcal/mol)ABFE trace9.7±0.8ABFE 30%10.5±1.1RBFE trace8.0±3.0RBFE 25%12.0±4.0
④ 主な結果 (c) 計算コスト
収束に要する計算コスト全原子FEP/SAFEP3 µs/replica従来 全原子 空間法収束報告なしPIP/TRPV4 アンブレラ≥15 µs 必要
④ 主な結果 (d) サイト占有強度
7.1ABFE tr7.7ABFE30%6.0RBFE tr9.0RBFE25%-log10 x50 (占有強度)
⑤ テイクホームメッセージ
厳密FEPで脂質親和性
柔軟リン脂質-タンパク質複合体の全原子ABFEを理論的に厳密な手法で初めて算出。
DBC CVが鍵
参照ポーズへのRMSD型CV(6Å)が柔軟脂質の収束を可能にし、安価で頑健。
RBFEより高精度
-9.7±0.8 kcal/mol。先行RBFE(-8±3)と整合しつつ誤差を大幅縮小、端点仮定も緩和。
占有≠機能調節
骨格占有は変調の必要条件だが十分でない。ヘッドグループ2配座が機能差を示唆。
本研究 vs 先行RBFE
項目本研究 ABFE先行 RBFE
分解能全原子全原子
ΔGbind (trace)-9.7±0.8-8±3 kcal/mol
POPC=POPG結合モード仮定不要(緩和)必要
誤差幅狭い広い
計算コスト3 µs/replica—
本研究のインパクト
  • クライオEM脂質密度の「占有可能性」を定量的に裏付ける汎用枠組み
  • GPCR・トランスポーター等の脂質変調研究へ展開可能なABFEプロトコル
  • SAFEP実装(v0.1.4)とデータをZenodoで公開、再現可能
Santiago-McRae E., Sheffer O., Cheng W.W.L., Hénin J., Brannigan G. Absolute Binding Affinity of a Phospholipid for a Membrane Protein: Alchemical Free Energy Calculations at Atomistic Resolution. ChemRxiv. 2025. https://doi.org/10.26434/chemrxiv-2025-t53z0 | code: github.com/BranniganLab/safep