Mathematical modeling of mechanical transduction and interference between structured biomolecules
| Project/Area Number |
18KK0388
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| Research Category |
Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (A))
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Research Field |
Biological physics/Chemical physics/Soft matter physics
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| Research Institution | Ritsumeikan University (2021-2023)
Hiroshima University (2018-2020) |
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Principal Investigator |
冨樫 祐一 立命館大学, 生命科学部, 教授 (50456919)
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| Project Period (FY) |
2019 – 2024
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000)
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| Keywords | 生物物理学 / 生体高分子 / 分子複合体 / 構造機能相関 / 分子動力学 / 反応拡散系 / 数理モデル / 進化 / シミュレーション |
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| Outline of Research at the Start |
タンパク質などの生体高分子の中には、状態の変化（例えば酵素であれば反応のサイクル）に依存して形が変わるものがあります。一方で、形の違いが、分子の結合しやすさ・反応しやすさといった特性に影響することがあります。すなわち、形と機能とが相互に影響し合うことが予想されます。では、複数の分子が互いに形を変えつつ相互作用する場合には、どのようなことが起こるでしょうか。本研究では、このような分子の「形」を介した化学反応や情報伝達への影響を、数理的に検討します。細胞核内のクロマチン構造（DNAとタンパク質の複合体）など、生物学的に興味深い系の解析にも応用できる可能性があります。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、旧来の反応拡散系研究では無視されていた分子構造あるいは形の問題に取り組み、形の変化する生体高分子の間での化学反応や情報伝達に対する理論を得ることを目的としている。新型コロナウイルス感染症の影響で渡航延期が続いたため、オンラインで連絡を取りつつ、日本側・英国側それぞれで、DNAの物性に関する数理モデル構築と分子動力学計算を用いた評価を進めてきた。時間的制約から、前年度に引き続き、今年度も短期間の渡航で論文執筆と今後の研究のための議論を集中的に行い、以降はオンラインで連絡を取りつつ研究を進めることとした。
DNAの物性に関連して、周期境界条件下での粗視化ポリマーモデルと全原子モデルの振舞いを解析し、境界条件の影響や粗視化モデル構築への指針について考察した。これについては論文1報を出版したほか、DNA損傷時の構造動態などへの応用を模索しており、関連するテーマで予備検討と学会発表を行った。加えて、タンパク等の分子機械の構造・機能の共進化を考察すべく、弾性ネットワークを基にした新たな粗視化モデルを考案し、研究協力者（大学院生）の協力を得て進化的シミュレーションを行うなど解析を進めている。
また、米国の実験グループも交え、リボソーム内でのmRNA-tRNA間相互作用と翻訳開始との関係について、分子動力学計算を用いた解析を行っている。今年度は、修飾塩基の影響の考察や、解析手法自体の再検討を進めた（本手法については解説論文1報を投稿中）。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
新型コロナウイルス感染症の影響により、2度目の渡航が2年半の延期と大幅な短縮を余儀なくされた影響が残っている。長期間の渡航が困難になったこともあり、短期間に分割した渡航で集中して議論を進められるよう計画を組み換えた。3度目の渡航で共著論文が完成し、年度内に出版できたことで、当初計画とは違う形ではあるが成果は得られた格好である。
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| Strategy for Future Research Activity |
渡航が不可能であった間に状況が変化したこともあり、渡航期間の大幅な短縮は避けがたい状況ではあるが、研究目的を大きく変えない範囲で計画を組み換えたことで成果自体は得られつつある。時間が限られていることから、研究協力者（大学院生）の協力を得て国内で作業を進めておき、次回（最終回）渡航時に結果を持ち込んで議論と論文執筆を集中的に行う。
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Report
(5 results)
Research Products
(33 results)
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[Journal Article] Translational recoding by chemical modification of non-AUG start codon ribonucleotide bases2022
Author(s)
Yoshihiko Fujita, Takeru Kameda, Chingakham Ranjit Singh, Whitney Pepper, Ariana Cecil, Madelyn Hilgers, Mackenzie Thornton, Izumi Asano, Carter Moravek, Yuichi Togashi, Hirohide Saito, Katsura Asano
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Journal Title
Science Advances
Volume: 8
Issue: 14
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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