Molecular dynamics simulations of protein complexes based on multi-resolution models

2018 Fiscal Year Final Research Report

• Project Area: Novel measurement techniques for visualizing 'live' protein molecules at work
• Project/Area Number: 26119006
• 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: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: Sugita Yuji 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (80311190)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): TAMA FLORENCE 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (20648191)
• Project Period (FY): 2014-07-10 – 2019-03-31
• Keywords: 分子動力学 / クライオ電子顕微鏡 / 一分子構造解析 / フレキシブルフィッティグ / マルチスケール・マルチレゾリューション / 膜タンパク質

Outline of Final Research Achievements

We developed new methods combining experimental information with simulation data to obtain reliable structure-dynamics relationship of proteins. Generally, experimental data tend to be low-resolution and low-dimension, whereas simulation can provide high-resolution structural information. In our methods, we combined cryo-EM with MD simulation in flexible fitting calculation and utilized machine learning for combining single-molecule analysis with MD simulation. The developed methods were installed into GENESIS software package and can be used together with enhanced sampling methods and multi-scale/multi-resolution molecular models. We applied these methods to understand structure-dynamics relationships of membrane proteins or protein/nucleic acid complexes.

Free Research Field

生物物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究は、シミュレーションなどの理論的な手法だけでは解決できない問題を実験データをうまく組み合わせることで克服する新しいアプローチである。また、クライオ電子顕微鏡の利用が今後ますます発展することを考慮すると、そのモデリングを分子動力学で高解像度化できることは大きな意義がある。実際、製薬企業などでもクライオ電子顕微鏡を用いた構造解析を薬物との相互作用を理解するために導入し始めており、それらの解析に貢献することができる。開発した手法はGENESISに導入し、今後一般公開していくため、広いユーザーが利用することができる。