Development of a novel single-particle-level simulation technique bridging molecular and cellular structures

• Project/Area Number: 17K18353
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Computational science; Life / Health / Medical informatics
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 海津 一成 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 上級研究員 (80616615)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2020: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2019: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2018: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2017: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: シミュレーション / 生物物理 / 反応拡散 / 一分子計測 / 生化学反応 / 計算生物学 / 分子構造 / マルチスケール / コンピュータシミュレーション

Outline of Annual Research Achievements

本研究では分子の一分子（ナノメーター）スケールの動態から細胞（マイクロメーター）スケールの動態を計算する一分子粒度シミュレーション技法に分子構造を取り入れることで分子構造計算と細胞レベルの生命現象を結びつけることを目的としている。第一に、一分子粒度シミュレーション技法に剛体球として表現される分子に異方性を取り入れ、分子の向きと回転拡散、さらに分子表面の一部分のみが反応活性を持つ場合の計算を可能にした。第二に、これまで三次元の自由拡散運動に限定されてきた従来法（拡張グリーン関数動力学法）に新たに一次元や二次元での反応拡散様式を実装した。加えて、細胞表面や細胞内小器官のような複雑な形状を持った構造体を表現するために、ポリゴンで表現された形状とその上での一分子粒度シミュレーションとポリゴン平面と三次元拡散する分子の結合・かい離反応を実装した。これにより、これまでのグリーン関数動力学法では扱うことが困難だった複雑な形状をふくむ反応拡散を高精度に計算することを可能にした。第三に、クロマチン環境における染色体構造とその分子混雑下での分子の動態についてモデル化を行った。高等細胞の染色体領域でゲノムはヌクレオソーム分子に巻き付き非均一な凝集状態を形成している。ゲノムを制御する分子はヌクレオソーム分子による分子混雑下を拡散し、制御領域にたどり着かなければならない。実際の一分子計測実験の結果に基づくシミュレーションにより、ヌクレオソーム分子の凝集状態とゆらぎ、拡散分子の大きさ（拡散速度）によってゲノムを制御している可能性が示唆された。本研究で開発された新規計算技法は、基盤ソフトウェアであるE-Cellシステムバージョン4に実装され、オープンソースで誰もが自由に利用可能なかたちで公開されている。

Research Products

• [Journal Article] An architecture for collaboration in systems biology at the age of the Metaverse (2024)
  • Author(s): Jacopin Eliott、Sakamoto Yuki、Nishida Kozo、Kaizu Kazunari、Takahashi Koichi
  • Journal Title: npj Systems Biology and Applications Volume: 10 Issue: 1 Pages: 12-12
  • DOI: 10.1038/s41540-024-00334-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Technologies for whole‐cell modeling: Genome‐wide reconstruction of a cell in silico (2023)
  • Author(s): Kaizu Kazunari、Takahashi Koichi
  • Journal Title: Development, Growth & Differentiation Volume: 65 Issue: 9 Pages: 554-564
  • DOI: 10.1111/dgd.12897
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cooperativity transitions driven by higher-order oligomer formations in ligand-induced receptor dimerization (2019)
  • Author(s): Watabe Masaki、Arjunan Satya N. V.、Chew Wei Xiang、Kaizu Kazunari、Takahashi Koichi
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 100 Issue: 6 Pages: 062407-062407
  • DOI: 10.1103/physreve.100.062407
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Simulation of live-cell imaging system reveals hidden uncertainties in cooperative binding measurements (2019)
  • Author(s): Watabe Masaki、Arjunan Satya N. V.、Chew Wei Xiang、Kaizu Kazunari、Takahashi Koichi
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 100 Issue: 1 Pages: 010402-010402
  • DOI: 10.1103/physreve.100.010402
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Surface reaction-diffusion kinetics on lattice at the microscopic scale (2019)
  • Author(s): Chew Wei-Xiang、Kaizu Kazunari、Watabe Masaki、Muniandy Sithi V.、Takahashi Koichi、Arjunan Satya N. V.
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 99 Issue: 4 Pages: 042411-042411
  • DOI: 10.1103/physreve.99.042411
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] eGFRD in all dimensions (2019)
  • Author(s): Sokolowski Thomas R.、Paijmans Joris、Bossen Laurens、Miedema Thomas、Wehrens Martijn、Becker Nils B.、Kaizu Kazunari、Takahashi Koichi、Dogterom Marileen、ten Wolde Pieter Rein
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 150 Issue: 5 Pages: 054108-054108
  • DOI: 10.1063/1.5064867
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Reaction-diffusion kinetics on lattice at the microscopic scale (2018)
  • Author(s): Chew Wei-Xiang、Kaizu Kazunari、Watabe Masaki、Muniandy Sithi V.、Takahashi Koichi、Arjunan Satya N. V.
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 98 Issue: 3 Pages: 032418-032418
  • DOI: 10.1103/physreve.98.032418
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Transient Acceleration of Epidermal Growth Factor Receptor Dynamics Produces Higher-Order Signaling Clusters (2018)
  • Author(s): Hiroshima Michio、Pack Chan-gi、Kaizu Kazunari、Takahashi Koichi、Ueda Masahiro、Sako Yasushi
  • Journal Title: Journal of Molecular Biology Volume: 430 Issue: 9 Pages: 1386-1401
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2018.02.018
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Whole-cell Modeling of a Bacterial Cell from Genomic Sequence (2021)
  • Author(s): Kazunari Kaizu
  • Organizer: 第4回ExCELLSシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 細胞モデリングを自動化する (2020)
  • Author(s): 海津一成
  • Organizer: 情報計算化学生物学会2020年大会
  • Invited
• [Presentation] E-Cell System version 4: An integrated platform for cell simulations (2019)
  • Author(s): Kozo Nishida, Kazunari Kaizu, Masaki Watabe, Koichi Takahashi
  • Organizer: International Conference on Systems Biology 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 全細胞シミュレーションとは何か (2018)
  • Author(s): 海津一成
  • Organizer: 第40 回日本生物学的精神医学会・第61 回日本神経化学会大会
  • Invited
• [Presentation] E-Cell System: from a single molecule to a whole cell (2017)
  • Author(s): 海津一成
  • Organizer: 日本生物物理学会第55回年会
• [Remarks] 統合細胞シミュレーションソフトウェア基盤E-Cellシステムバージョン4
  • URL: https://ecell4.e-cell.org/
• [Remarks] バイオイメージングシミュレーターScopyon
  • URL: https://github.com/ecell/scopyon/
• [Remarks] 細胞シミュレーション基盤ソフトウェアE-Cellシステム
  • URL: https://github.com/ecell/ecell4
• [Remarks] eGFRD法、Spatiocyteを含む各種計算手法の実装を含むライブラリ
  • URL: https://github.com/ecell/ecell4-base
• [Remarks] 各種グリーン関数動力学法の実装を含むライブラリ
  • URL: https://github.com/ecell/greens_functions