生体高分子アニメーション構築支援システムの開発

• Project/Area Number: 20K12072
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 62010:Life, health and medical informatics-related
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 上野 豊 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 情報・人間工学領域, 主任研究員 (60356558)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2020: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
• Keywords: タンパク質立体構造 / 分子構造可視化技術 / 分子アニメーション / 分子間相互作用 / コンピュータグラフィックス

Outline of Research at the Start

タンパク質等の生体分子の構造モデルのアニメーションを構築したスクリプトのライブラリを整備する。細胞内における各種タンパク質の分子メカニズムを立体構造に基づいて例証する構造生物学のツールとしての確立を目指す。既存の分子アニメーション構築ソフトウェアを活用しながら必要な計算プログラムを開発し、分子の揺らぎを表示して相互作用を検証できる機能を開発する。アニメーションを記述したスクリプトの蓄積とネット公開による共有を図り、将来には細胞内の超分子システムを計算機上に再構築する可視化システムの実現につなげる。

Outline of Annual Research Achievements

タンパク質等の生体分子の構造モデルのアニメーション構築を支援するシステムの研究開発を進めた。細胞内における各種タンパク質の分子メカニズムを立体構造に基づいて例証するための構造生物学のツールとして提案している。汎用3DCGソフトウェアBlenderを利用して構築したアニメーションのライブラリを整備し必要な計算機プログラムをgithubサイトより公開した。骨格アニメーション法を利用してタンパク質立体構造データPDBに基づいて構造変化のアニメーションを表示する手法を開発した。名古屋大学から発表された構造変化データベースPSCDBおよび英国EastAnglia大学から発表された構造変化データベースMorphitProのアニメーションを構築することができた。また分子の揺らぎを発生させる手法を検討し、Blenderの物理演算機能を利用して構築する手法を開発した。例として、バクテリアべん毛の回転動作がべん毛全体のうねり動作を発生する様子をシミュレーションして作成した。また、同じ物体を複数配置して動作させるパーティクル法がアニメーション構築手法として利用できることから繊維構造となるタンパク質やDNAらせん構造を作成する手法を検討した。既に作成していたアクチンフィラメントの重合脱重合のアニメーションを改良してRNAの重合に応用する例を作成した。RNAポリメラーゼによるDNA鎖を読み取ってRNA鎖を重合するアニメーションについて試験的に手作業で構成した。また、DNA鎖がゆらぐ様子を物理演算機能で発生する手法を考案し、各種汎用アニメーションで利用されているBVH形式ファイルで骨格アニメーションデータを作成した。DNAオリガミ構造のフォールディングの低解像度モデルを試作した。酵素活性中心の構造変化を整理したデータベースEzCatDBより公開されていた構造変化アニメーションのモデルをBlenderを用いて構築する手法を開発した。

Research Products

• [Journal Article] Modeling Protein Molecules at the Mesoscale: for Structural Study of Artificial Muscle (2022)
  • Author(s): 上野 豊, 松田 健人, 加藤 薫, 角五 彰, 葛谷 明紀, 小長谷 明彦
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 62 Issue: 1 Pages: 58-61
  • DOI: 10.2142/biophys.62.58
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Skeletal animation for visualizing dynamic shapes of macromolecules (2020)
  • Author(s): Yutaka Ueno, Shinya Muraoka and Tetsuo Sato
  • Journal Title: Journal of Integrative Bioinformatics Volume: 17 Issue: 0 Pages: 0098-0098
  • DOI: 10.1515/jib-2018-0098
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 骨格アニメーション法を活用したタンパク質構造変化の検証法 (2023)
  • Author(s): 上野豊
  • Organizer: 日本生物物理学会第60回年会
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] BLENDER FOR MOLECULAR BIOLOGY
  • URL: https://uenoyt.github.io/blendmb/
• [Remarks] MESOSCALE MODELING OF BIOMOLECULES
  • URL: https://uenoyt.github.io/abam/