Uncovering structural origin relating to non-Markov protein dynamics
| Project/Area Number |
20K03883
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
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| Research Institution | Osaka Metropolitan University (2022-2023)
Yokohama City University (2020-2021) |
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Principal Investigator |
森次 圭 大阪公立大学, 大学院理学研究科, 教授 (80599506)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
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| Keywords | タンパク質 / ダイナミクス / 分子動力学シミュレーション / ランジュバンモデル / 重み付きアンサンブル法 / シニョリン / SARS CoV-2 3CLプロテアーゼ / 薬剤結合 / マルコフ状態モデル / アクチン / マルコフモデル / 機械学習 / リボース結合タンパク質 / Pin1 / 非マルコフ |
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| Outline of Research at the Start |
タンパク質の分子機能に関わる折れ畳みや構造変化の時定数を正確に計算するには、ダイナミクスに内在する非マルコフ的な「履歴」が鍵となる。本研究では、タンパク質ダイナミクスの非マルコフ性を定量化し、その構造起因を解明することを目指す。そのため、非マルコフ的に構造変化するパスを重み付きアンサンブル法といった効率的な分子動力学シミュレーション手法により生成し、状態を定義した上で構造に履歴ラベルを付加、更に、遷移構造におけるラベルの違いを有意に説明する構造的特徴量を機械学習の手法により抽出する、という包括的方法論を構築する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、生体分子のダイナミクスに内在する非マルコフ性を定量化しその構造起因を解明することを目的とする。今年度の研究では、分子動力学シミュレーションで生成された時系列構造データからランジュバンモデルを規定する位置依存拡散係数を計算し、重み付きアンサンブル法でも計算される確率分布の時間変化を見積もることでタンパク質ダイナミクスを記述する手法を開発した。研究期間中にシミュレーションを行ったミニタンパク質シニョリンのトラジェクトリに適用し、反応座標や確率分布の時間変化を離散的に計算する際の時間ステップの評価といったパラメタを評価しつつ精度よく計算する手法を確立し、先行研究でも得られた状態間のMFPTを正しく見積もることができた。
研究期間全体を通じて、マルコフ状態モデルや重み付きアンサンブル法、ランジュバンモデルといった多様なタンパク質ダイナミクス解析手法を適用し、複雑な運動を呈する多自由度なタンパク質運動の解析と分子機能の理解につなげた。シニョリンといった物理化学的モデルとして汎用される小さな系に限らず、プロリン異性化酵素Pin1やSARS-CoV-2 3CLプロテアーゼ、アクチンタンパク質といった実用的大きさの系に対しても適用しうるような手法開発を実現したことが大きな成果である。その反面、研究目的である「非マルコフ性の定量化とその構造起因」についてはその寄与を見出したもののそれをどう記述するかが未解決であるため、今後の研究において考察を進めていきたい。
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Report
(4 results)
Research Products
(14 results)
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[Journal Article] Structures and mechanisms of actin ATP hydrolysis2022
Author(s)
Kanematsu Yusuke、Narita Akihiro、Oda Toshiro、Koike Ryotaro、Ota Motonori、Takano Yu、Moritsugu Kei、Fujiwara Ikuko、Tanaka Kotaro、Komatsu Hideyuki、Nagae Takayuki、Watanabe Nobuhisa、Iwasa Mitsusada、Ma?da Yuichiro、Takeda Shuichi
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Journal Title
Proceedings of the National Academy of Sciences
Volume: 119
Issue: 43
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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