論文の概要: A Quantum Circuit Framework for Protein Ensemble-Level Energetics
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2608.05491v1
- Date: Thu, 06 Aug 2026 00:43:57 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-08-13 14:28:20.307778
- Title: A Quantum Circuit Framework for Protein Ensemble-Level Energetics
- Title（参考訳）: タンパク質アンサンブルレベルエネルギーのための量子回路フレームワーク
- Abstract要約: タンパク質は、高エントロピーのアンサンブルが複数のサブステートを持つコンパクトで低エネルギーの盆地に収束する異質な自由エネルギーの風景を占有する。
粗粒化タンパク質熱力学のための残基レベルゲート型量子回路フレームワークを提案する。
Trp-cage minioprotein 1L2Y (TC5b) および9GDL (ジスルフィド安定化Trp-cage-fortified exenatidera) を用いた。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 11.332430076454983
- License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
- Abstract: Proteins occupy heterogeneous free-energy landscapes in which high-entropy ensembles converge toward compact, low-energy basins with multiple sub-states. Molecular dynamics can access these landscapes at atomic resolution, but exhaustive sampling remains computationally demanding. Meanwhile, most quantum approaches target only single optimal structures, leaving full ensemble energetic heterogeneity unexplored. We introduce a residue-level, gate-based quantum circuit framework for coarse-graining protein thermodynamics. Each amino acid is represented as a two-state qubit (stabilised vs. excited solvation state) based on residue solvation energetics. A structure-informed entanglement block then encodes covalent and non-covalent contacts using parameterised controlled gates, embedding correlations across the residue-interaction network. Sampling the circuit ($\sim 10^6$ measurements) yields binary thermodynamic microstates used to compute protein energy distributions, residue-level statistical couplings, energetic sensitivities, and information gains relative to total free energy. We showcase the framework on the benchmark Trp-cage miniprotein 1L2Y (TC5b) and 9GDL, a disulfide-stabilised Trp-cage-fortified exenatide chimera. For 1L2Y, the circuit reproduces a structured, folding-funnel-like energy distribution. Comparative analysis with 9GDL reveals shifts in global energy distributions and residue-level stability profiles. Coupling and information-theoretic analyses localise residues associated with ensemble reorganisation, while multi-body couplings show the circuit resolves both direct and indirect statistical correlations. This framework expands quantum protein modelling beyond single-structure optimisation toward ensemble-level characterisation, capturing key features of rugged energy landscapes to guide protein design, mutation mapping, and allosteric pathway identification.
- Abstract（参考訳）: タンパク質は、高エントロピーのアンサンブルが複数のサブステートを持つコンパクトで低エネルギーの盆地に収束する異質な自由エネルギーの風景を占有する。
分子動力学はこれらの風景を原子分解能でアクセスすることができるが、徹底的なサンプリングは計算的に要求される。
一方、ほとんどの量子的アプローチは単一の最適構造のみをターゲットにしており、完全なエンサンブルエネルギーの不均一性は未発見のままである。
粗粒化タンパク質熱力学のための残基レベルゲート型量子回路フレームワークを提案する。
各アミノ酸は、残留溶媒エネルギーに基づいて2状態のクビット(安定化対励起溶媒状態)として表される。
構造インフォームドエンタングルメントブロックは、パラメータ化制御ゲートを用いて共有結合と非共有結合を符号化し、残余相互作用ネットワークに相関関係を埋め込む。
回路(\sim 10^6$)をサンプリングすると、タンパク質のエネルギー分布、残基レベルの統計結合、エネルギー感受性、および全自由エネルギーに対する情報ゲインを計算するのに使用される2つの熱力学的な状態が得られる。
Trp-cage minioprotein 1L2Y (TC5b) と9GDL, ジスルフィド安定化Trp-cage-fortified exenatide chimeraのベンチマークを行った。
1L2Yの場合、回路は構造化された折りたたみファンネルのようなエネルギー分布を再現する。
9GDLとの比較分析により、地球規模のエネルギー分布と残留レベル安定性プロファイルの変化が明らかになった。
カップリングと情報理論解析は、アンサンブルの再構成に関連する残基をローカライズする一方、多体カップリングは、直接的および間接的な統計的相関を解消する。
このフレームワークは、単一構造最適化を越えてアンサンブルレベルのキャラクタリゼーションへと量子タンパク質モデリングを拡張し、タンパク質の設計、突然変異マッピング、アロステリックパスの同定をガイドするために、頑丈なエネルギーランドスケープの重要な特徴を捉えている。
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