Analysis of free energy landscape, pathways, and flow of structural changes to complement high-speed molecular movie

• Project Area: Non-equilibrium-state molecular movies and their applications
• Project/Area Number: 22H04745
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 北尾 彰朗 東京工業大学, 生命理工学院, 教授 (30252422)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000); Fiscal Year 2023: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: アンサンブル / エネルギー地形 / 経路 / 流量 / PaCS-MD/MSM

Outline of Research at the Start

（１）我々が開発した高効率なシミュレーション法であるPaCS-MD/MSM法を駆使して、構造変化のアンサンブルを生成することで、時分割実験データを補完する1分子データ、アンサンブル、構造変化のエネルギー地形・経路の解析を明らかにする。
（２）分子の結合親和性・キネティックスをPaCS-MD/MSM法などで予測し、更に結合の効果を予想することで、タンパク質を制御する分子の理論的デザイン・改良に寄与する。
（３）得られた結果を統合して、タンパク質立体構造が変化する時系列を多面的に解析し、機能を発揮するメカニズムを解明する。

Outline of Annual Research Achievements

画研究の清中グループとの共同研究としてアデノシンA2a受容体とリガンドの結合に関する研究に新たに取り組み、分子シミュレーションを用いた結合親和性を解析した。具体的には、パーキンソン病の治療薬として開発されたIstradefyllineと野生型および変異体アデノシンA2a受容体との結合自由エネルギーの違いや解離する際の経路の違いを分子動力学シミュレーションとdPaCS-MD/MSMを用いて解析した。変異型ではπ―π相互作用などによってIstradefyllineとの相互作用が強化されることや、解離経路が狭くなることで結合が強くなり解離しにくくなっていることが明らかになった。これが変異体における結合の強さにも反映されていると考えられる。
更に10マイクロメーターにも及ぶ巨大なタンパク質複合体である細菌べん毛の回転軸であるロッドとそれを支えるLP-リングについての研究も行った。回転に関わる自由エネルギー変化とロッドとLP-リング間の相互作用の解析からは、自由エネルギー変化がロッドとLP-リング間の水素結合・塩橋数と相関していることが明らかになった。回転する際には、ロッドとLP-リングのそれぞれにベアリングのように回転方向に並んでいる極性残基が水素結合・塩橋を付け替えながら回転していることで、エネルギー障壁の低いスムーズな回転を可能にしていることを示すことができた。これに対して、軸方向へのロッドの大きな動きを行うためには多数の水素結合・塩橋を破壊する必要がある。これはエネルギー的に非常に難しいので、ロッドが軸方向に抜けることを防止していると言える。
このように本研究では、タンパク質機能ダイナミクス解明：得られた結果を統合して、タンパク質立体構造が変化する時系列を多面的に解析し、機能を発揮するメカニズムを解明することができた。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Toronto(カナダ)
• [Int'l Joint Research] University of East Anglia(英国)
• [Int'l Joint Research] University of KwaZulu-Natal(南アフリカ)
• [Int'l Joint Research] University of Oslo/University of 15 Science and Technology(ノルウェー)
• [Journal Article] PaCS-Toolkit: Optimized Software Utilities for Parallel Cascade Selection Molecular Dynamics (PaCS-MD) Simulations and Subsequent Analyses (2024)
  • Author(s): Ikizawa Shinji、Hori Tatsuki、Wijaya Tegar Nurwahyu、Kono Hiroshi、Bai Zhen、Kimizono Tatsuhiro、Lu Wenbo、Tran Duy Phuoc、Kitao Akio
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 128 Issue: 15 Pages: 3631-3642
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.4c01271
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Regulation of Bacterial Flagellar Motor Rotation using High Pressure (2023)
  • Author(s): 畑 宏明、北尾彰朗
  • Journal Title: The Review of High Pressure Science and Technology Volume: 33 Issue: 2 Pages: 69-75
  • DOI: 10.4131/jshpreview.33.69
  • ISSN: 0917-639X, 1348-1940
  • Year and Date: 2023-06-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Energetic and Kinetic Origin of CALB Interfacial Activation Revealed by PaCS-MD/MSM (2023)
  • Author(s): Tegar Wijaya and Akio Kitao
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 127 Issue: 34 Pages: 7431-7441
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.3c02041
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Engineering of an in-cell protein crystal for fastening a metastable conformation of a target miniprotein (2023)
  • Author(s): Mariko Kojima, Satoshi Abe, Tadaomi Furuta, Duy Phuoc Tran, Kunio Hirata, Keitaro Yamashita, Yuki Hishikawa, Akio Kitao, Takafumi Ueno
  • Journal Title: Biomaterial Science Volume: 11 Issue: 4 Pages: 1350-1357
  • DOI: 10.1039/d2bm01759h
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structure of MotA, a flagellar stator protein, from hyperthermophile (2023)
  • Author(s): Tatsuro Nishikino, Norihiro Takekawa, Duy Phuoc Tran, Jun-ichi Kishikawa, Mika Hirose, Sakura Onoe, Seiji Kojima, Michio Homma, Akio Kitao, Takayuki Kato and Katsumi Imada
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 631 Pages: 78-85
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2022.09.072
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dependence of Vibrational Energy Transfer on Distance in a Four-helix Bundle Protein: Equidistant Increments with the Periodicity of α Helices (2022)
  • Author(s): Satoshi Yamashita,Misao Mizuno, Kazuhiro Takemura, Akio Kitao, and Yasuhisa Mizutani
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: - Issue: 17 Pages: 3283-3290
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.2c00956
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Principal Component Analysis and Related Methods for Investigating the Dynamics of Biological Macromolecules (2022)
  • Author(s): Akio Kitao
  • Journal Title: J Multidisciplinary Scientific Journal Volume: 5 Issue: 2 Pages: 298-317
  • DOI: 10.3390/j5020021
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Conserved GYXLI Motif of FlhA Is Involved in Dynamic Domain Motions of FlhA Required for Flagellar Protein Export (2022)
  • Author(s): Minamino Tohru、Kinoshita Miki、Inoue Yumi、Kitao Akio、Namba Keiichi
  • Journal Title: Microbiology Spectrum Volume: 10 Issue: 4
  • DOI: 10.1128/spectrum.01110-22
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] べん毛LPリング・ロッド系の回転シミュレーション (2024)
  • Author(s): 北尾彰朗、山口智子、牧野文信、宮田知子、南野徹、加藤貴之、難波啓一
  • Organizer: 生体運動研究合同班会議2024
• [Presentation] べん毛モーター固定子MotA/Bタンパク質複合体のイオン透過シミュレーション(Simulating ion permeation through the flagellar motor stator MotA/B protein complexes) (2024)
  • Author(s): Duy Phuoc Tran
  • Organizer: 2023年度べん毛研究交流会
• [Presentation] LPリング内のロッドの回転シミュレーション (2024)
  • Author(s): 北尾彰朗
  • Organizer: 2023年度べん毛研究交流会
• [Presentation] Gタンパク質アデノシンA2a受容体複合体活性化ダイナミクスの解明 (2024)
  • Author(s): 萩本紗理、北尾彰朗
  • Organizer: 第13回日本生物物理学会関東支部会
• [Presentation] Rotational mechanisms of bacterial flagellumand roles of water (2023)
  • Author(s): Akio Kitao
  • Organizer: TSRC Workshop [Protein Dynamics]
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Mechanisms of Bacterial flagellar rotation and roles of water as lubricant (2023)
  • Author(s): 北尾彰朗
  • Organizer: 理研研究会「Multi-scale Molecular Dynamics Simulation and Machine Learning of Biomolecular Systems」
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Sampling the conformational transition of the monomer of Nsp15 of the SARS-nCoV2 gives a hint to inhibit its hexamer (2023)
  • Author(s): Duy Phuoc Tran and Akio Kitao
  • Organizer: NanoBioCoM2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Conformational Dynamics and Association/Dissociation Processes of Biological Macromolecules Investigated by Advanced Molecular Simulation (2023)
  • Author(s): Akio Kitao
  • Organizer: ICMS2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] An efficient screening, an accurate evaluation, and a simple prediction of protein complex structures (2023)
  • Author(s): Kazuhiro Takemura and Akio Kitao
  • Organizer: ICMS2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Conformational Change and Association/Dissociation of Proteins investigated by Parallel Cascade Selection Molecular Dynamics (2023)
  • Author(s): Akio Kitao
  • Organizer: Core-to-core international symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] タンパク質で構築された軸と軸受け：ロッドとLPリングが働く仕組み (2023)
  • Author(s): 北尾彰朗
  • Organizer: 山田科学振興財団2023年度研究交歓会
  • Invited
• [Presentation] How the bacterial Flagellar Motor stator works: an insight from molecular dynamics simulation (2023)
  • Author(s): Duy Phuoc Tran、Akio Kitao
  • Organizer: CCP2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The Effect of Tricaprylin Surface on The Lid Region Dynamics of Candida antarctica Lipase B (2023)
  • Author(s): Tegar Nurwahyu Wijaya and Akio Kitao
  • Organizer: 第61回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Unveiling the mGLU1 dimer dynamics during partially-active to inactive state transition (2023)
  • Author(s): Duy Phuoc Tran、Kitao Akio
  • Organizer: 令和５年度 新学術領域研究「高速分子動画」シンポジウム
• [Presentation] Unveiling the dynamics of Adenosine A2a receptor coupling to the G proteins: a molecular dynamics simulation study（アデノシンA2a受容体とGタンパク質との結合のダイナミクスの解明： 分子動力学シミュレーション研究による） (2023)
  • Author(s): Duy Phuoc Tran, Sari Hagimoto and Akio Kitao
  • Organizer: 第61回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Molecular mechanisms of structure support and smooth rotation in the bushing/rod complex of bacterial flagella (2023)
  • Author(s): 北尾彰朗
  • Organizer: 高速分子動画 国際シンポジウム2023
• [Presentation] How the mGLU1 receptor dimer be activated: a molecular dynamics study (2023)
  • Author(s): Duy Phuoc Tran
  • Organizer: 高速分子動画 国際シンポジウム2023
• [Presentation] Revealing the complex formation / deformation process of anti-tumor suppressor p53 protein complexes in functioning (2023)
  • Author(s): Duy Phuoc Tran, Akio Kitao
  • Organizer: APATCC-10(Asia Pacific Conference of Theoretical and Computational Chemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] LPリング中のロッドの回転シミュレーション Simulating the rod rotation in LP-ring (2023)
  • Author(s): 北尾彰朗
  • Organizer: 2022年度べん毛研究交流会
• [Presentation] イオン透過に関わるMotAとMotBの相対運動 The relative motions of MotA and MotB in flagellar stator toward ion permeation） (2023)
  • Author(s): Duy Phuoc Tran
  • Organizer: 2022年度べん毛研究交流会
• [Presentation] 柔らかな分子の複合体形成と解離 (2022)
  • Author(s): 北尾彰朗
  • Organizer: シンポジウム「柔らかな分子系研究の発展」
  • Invited
• [Presentation] Conformational Change and Dissociation/Association of Biological Macromolecules Investigated by Parallel Cascade Selection Molecular Dynamics and Markov State Model (2022)
  • Author(s): Akio Kitao
  • Organizer: ABA, APPA&TBS Joint Congress2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] PaCS-MD/MSM法を用いたキナーゼ複合体の結合速度論解析 (2022)
  • Author(s): 竹村和浩, 北尾彰朗
  • Organizer: 第22回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] Substrate Unbinding Mechanism of Candida rugosa Lipase Explored by Parallel Cascade Selections Molecular Dynamics and Markov State Model (2022)
  • Author(s): Darin Flamandita, Akio Kitao
  • Organizer: 第22回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] How EGCG pertubates the interaction between MDM2 and N-terminal domain of p53 (2022)
  • Author(s): Duy Phuoc Tran, Akio Kitao
  • Organizer: 第22回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] Binding Kinetics of Kinase Complexes by PaCS-MD/MSM (2022)
  • Author(s): 竹村和浩, 北尾彰朗
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Protein conformational change, association and dissociation observed using Fugaku and massively parallel molecular dynamics simulations (2022)
  • Author(s): Akio Kitao
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 高速分子動画を補完する構造変化の自由エネルギー地形と経路・流量の解析 (2022)
  • Author(s): 北尾彰朗
  • Organizer: 令和４年度新学術領域研究「高速分子動画」シンポジウム
• [Presentation] 分子動力学計算におけるタンパク質の二面角遷移の解析 (2022)
  • Author(s): 吉岡美月, 北尾彰朗
  • Organizer: 第16回分子科学討論会
• [Presentation] 並列カスケード選択分子動力学法を用いた生体分子の解離課程解析 (2022)
  • Author(s): 中矢光, チャンフズイ, 北尾彰朗
  • Organizer: 第16回分子科学討論会
• [Presentation] Analysis of High Speed Atomic Force Microscopy Image of FlhAc（FlhAcの高速原子間力顕微鏡画像の解析） (2022)
  • Author(s): 大沢陸輝, 北尾彰朗
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] The relative motion of MotA around MotB in bacterial flagellar stator (2022)
  • Author(s): Duy Phuoc Tran, Akio Kitao
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] FlhAcの高速原子間力顕微鏡画像の解析 (2022)
  • Author(s): 大沢陸輝, 寺原直矢, 古寺哲幸, 今田勝巳, 南野徹, 北尾彰朗
  • Organizer: 第36回分子シミュレーション討論会
• [Presentation] How different glycopeptide affects the binding of glycoprotein B to paired immunoglobulin-like type 2 receptor (2022)
  • Author(s): Ting-Yi Chu, Duy Phuoc Tran, Akio Kitao
  • Organizer: 第36回分子シミュレーション討論会
• [Presentation] 線形応答理論を応用した効率的な分子動 力学シミュレーションに基づく自由エネル ギー解析 (2022)
  • Author(s): 生澤真司, 北尾彰朗
  • Organizer: 第36回分子シミュレーション討論会
• [Presentation] How partial agonist ligands induce the conformational changes of Adenosine A2a receptor (2022)
  • Author(s): Duy Phuoc Tran, Akio Kitao
  • Organizer: 第36回分子シミュレーション討論会
• [Presentation] Molecular Dynamics investigation of binding affinities between amino acid and taste receptor (2022)
  • Author(s): Thai-Hao Nguyen, Duy Phuoc Tran, Akio Kitao
  • Organizer: 第36回分子シミュレーション討論会
• [Presentation] The Effect of Tricaprylin-Water Interface on the Conformational Dynamics of Candida antarctica Lipase B (2022)
  • Author(s): Tegar Wijaya, Akio Kitao
  • Organizer: 第36回分子シミュレーション討論会
• [Book] Bacterial and Archaeal Motility, Chapter 3 Molecular Simulation to Investigate Open-Close Motion of a Flagellar Export Apparatus Protein FlhAC (2023)
  • Author(s): Akio Kitao
  • Total Pages: 402
  • Publisher: Springer
  • ISBN: 9781071630600
• [Book] PLASMA MEMBRANE SHAPING, Section 5 Chapter 27 Molecular dynamics (2022)
  • Author(s): Kazuhiro Takemura, Akio Kitao
  • Total Pages: 451
  • Publisher: Academic Press
  • ISBN: 9780323899116
• [Remarks] 北尾研ホームページ
  • URL: https://www.kitao.bio.titech.ac.jp/index.html
• [Remarks] 北尾研twitter
  • URL: https://twitter.com/compprosci
• [Remarks] 北尾研Facebook
  • URL: https://www.facebook.com/CompProtSci/
• [Remarks] 北尾研YouTube
  • URL: https://www.youtube.com/channel/UCuUd9AnHzKNHPqRt7PHy99g/videos
• [Remarks] PaCS-Toolkit
  • URL: https://github.com/Kitaolab/PaCS-Toolkit
• [Remarks] 北尾研ホームページ
  • URL: http://www.kitao.bio.titech.ac.jp/