Heat Transfer and Molecular Structure in the Crowded Environment of the Cell
| Project/Area Number |
21K03487
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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 | Ritsumeikan University |
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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) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
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| Keywords | 熱伝導 / 熱伝達 / 生体高分子 / 生体膜 / 超分子混雑 / 分子構造動態 / 分子動力学計算 / シミュレーション / 細胞内環境 / 高分子構造 / 生物物理 |
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| Outline of Research at the Start |
近年、生きた細胞の中の温度が計測されるようになり、例えば核の温度は細胞質より約１℃高いといった報告がなされている。一方で、１℃も温度差を生ずるには核の周りに非常に良い断熱材が必要で非現実的だとの批判もあり、論争が続いている。細胞の中は、複雑な膜構造があったり高分子で混雑していたりするため、熱がどのように伝わっていくのか、分子の構造が変わって熱を溜めることはないのか、そもそも「温度計」は何を測っているのか、といったことが自明ではない。そこで本研究では、分子シミュレーションを用いることにより、細胞の中の環境が熱の伝わり方に与える影響を、実験では測ることの難しい分子のレベルで考察する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、混雑環境下における生体高分子の温度・熱に対する応答を分子動力学計算を用いて解析することにより、細胞内の分子環境が伝熱過程（熱伝導・熱伝達）に与える影響を明らかにすることを目的としている。1. 高分子混雑下での伝熱の様相（分子内・分子間での熱伝導・熱伝達や、配向・複合体形成などの影響）、2. 高分子自身の構造転移（熱・温度に依存した構造変化、相転移・相分離など）、の両者が対象であり、相互の関連を視野に入れつつ、現時点では別々に研究を進めている。
1に関しては、前年度に引き続き、系内に温度差のある状況での伝熱や構造変化を、全原子分子動力学計算により解析した。タンパク質の濃厚溶液に加えて、今年度は複数の脂質２重膜モデルを含むモデルを構築して用いている。計算量の増大や境界条件によるアーティファクトが課題となっており、解析手法を検討している。これに加え、より現実の細胞に即したモデル構築に向けた補助的なテーマとして、研究協力者から提供された3次元電子顕微鏡による細胞構造データについて、定量的な解析や特徴抽出を開始した。機械学習による解析の自動化が進んだため、次年度以降、得られたデータを構造モデリングに反映する。
2に関連した、温度による構造変化の生理的意義が示唆されているタンパク分子での構造転移に対する混雑の影響の解析については、アミロイドβタンパク質の中間温度域での構造動態についての考察を進めたが、混雑の影響については次年度の課題となった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
前年度の研究開始当初に生じた機材移設・調達の問題の影響が残っている。このほか、年度中盤まで、新型コロナウイルス感染症の影響により、共同研究や研究会開催に支障があった。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究協力者（学生）の協力を得て、脂質2重膜構造を含むモデル系の改良、細胞構造データの解析とモデル系への反映を進める。基礎生物学研究所の実験グループなどとの共同研究を再開し、実験との比較を通じてモデル系や条件設定を見直しつつ解析を進める。
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Report
(2 results)
Research Products
(6 results)
