シアノバクテリア時計タンパク質振動子の出力分子機構の理論的解明
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22K14652
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
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| Research Institution | Institute for Molecular Science |
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Principal Investigator |
甲田 信一 分子科学研究所, 理論・計算分子科学研究領域, 助教 (10790404)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
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| Keywords | 反応経路探索 / 遷移状態探索 / 体内時計 / 概日リズム / シアノバクテリア / KaiB / 最小エネルギー経路 / 反応モデル |
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| Outline of Research at the Start |
シアノバクテリアの体内時計はわずか三種のタンパク質(KaiA, KaiB, KaiC)で構成されている。この振動子が刻む時間情報を他の部位に伝達する出力系については、関係する遺伝子およびタンパク質が明らかにされてきたが、その分子的な機構の多くは未解明である。本研究は出力系の中でも特にKaiB-KaiCおよびSasA-KaiC複合体形成に焦点を絞り、これらが結合サイトを共有しているにも関わらず順序だって行われる分子的な機構を理論的に明らかにすることを目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
シアノバクテリアの体内時計はKaiA,B,Cの三種類のタンパク質で駆動される。KaiBはその振動情報を外部に伝える際に重要な役割を担う。KaiBは二つの安定した折りたたみ構造を持ち、それぞれに対応した複数の役割を果たす。これらの構造間の遷移は非常に複雑であり、その分子的詳細はまだほとんど理解されていない。そこでまず、このような複雑な状態変化であっても両端の安定構造さえ分かっていればそれらをつなぐ反応経路を見つけ出す計算手法を開発した。
今回開発した手法は、(i)変分的経路最適化の枠組みで定式化されている、(ii)最適経路はいわゆる最小エネルギー経路に収束する、(iii)２次以上のエネルギー微分を必要としない、(iv)経路上の複数の代表点でのエネルギー計算を並列化可能、といった望ましい性質を兼ね備えている。今回の手法の性能は非常に強力である。既存の著名なNudged Elastic Band (NEB)法と比較すると、計算量が５～７割減少した。なお、この手法を広く使用してもらうために、ソフトウェア開発も行い、その結果もGitHubにて公開した。
KaiBの構造変化に関しては、新たに開発した分子構造ベースの軽量なポテンシャルエネルギー（投稿準備中）を今回開発した手法に適用することで、二つの折り畳み構造をつなぐ原子衝突のないスムースな経路を得ることに成功した（投稿準備中）。ただし、この経路は原子衝突がないだけであって、現実的な経路かどうかはまだわからない。そこで、今後は通常の分子動力学シミュレーションで用いられる、より現実的なポテンシャルエネルギーを使用して反応経路をリファインし、その経路に沿った自由エネルギーを評価する。その際はstring法などの使用を予定している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
シアノバクテリアの体内時計はKaiA,B,Cの三種類のタンパク質で駆動される。KaiBは二つの安定した折りたたみ構造を持ち、それぞれに対応した複数の役割を担う。これらの構造間の遷移は非常に複雑であり、その分子的詳細はまだほとんど理解されていない。そこでまず、このような複雑な状態変化であっても両端の安定構造さえ分かっていればそれらをつなぐ反応経路を見つけ出す計算手法を開発した。
今回開発した手法は、(i)変分的経路最適化の枠組みで定式化されている、(ii)最適経路はいわゆる最小エネルギー経路に収束する、(iii)２次以上のエネルギー微分を必要としない、(iv)経路上の複数の代表点でのエネルギー計算を並列化可能、といった望ましい性質を兼ね備えている。今回の手法の性能は非常に強力である。既存の著名なNudged Elastic Band (NEB)法と比較すると、計算量が５～７割減少した。なお、この手法を広く使用してもらうために、ソフトウェア開発も行い、その結果もGitHubにて公開した。
KaiBの構造変化に関しては、分子構造ベースの軽量なポテンシャルエネルギー（投稿準備中）を今回開発した手法に適用することで、二つの折り畳み構造をつなぐ原子衝突のないスムースな経路を得ることに成功した（投稿準備中）。
シアノバクテリアの体内時計の出力機構を明らかにするという当初の課題の進捗状況としてはやや遅れていると言える。というのも、今回の反応経路探索手法およびそのソフトウェア実装の開発に２年かかってしまい、具体的な応用にはようやく着手できたところだからである。ただ、今回の手法は物質の状態変化を扱う自然科学のあらゆる分野に貢献するものであり、そのインパクトは"当初の計画以上"である。
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| Strategy for Future Research Activity |
上にも記したとおり、今回開発した手法に適用することで、KaiBの二つの折り畳み構造をつなぐ原子衝突のないスムースな経路を得ることに成功した。ただし、この経路は原子衝突がないだけであって、現実的な経路かどうかはまだわからない。そこで、今後は通常の分子動力学シミュレーションで用いられる、より現実的なポテンシャルエネルギーを使用して反応経路をリファインし、その経路に沿った自由エネルギーを評価する。その際はstring法などの使用を予定している。
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Report
(2 results)
Research Products
(4 results)
