2004 Fiscal Year Annual Research Report

計算機顕微鏡を指向した電子顕微鏡像・分子動力学法統合による原子モデルの構築

Research Project

Project/Area Number	15650052
Research Institution	Kyushu Institute of Technology
Principal Investigator	安永卓生九州工業大学, 情報工学部, 助教授 (60251394)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	入佐正幸九州工業大学, 情報工学部, 助教授 (60284600)
Keywords	3次元電子顕微鏡法 / タンパク質複合体 / 分子動力学 / 単粒子解祈法 / 顕微鏡 / 計算機顕微鏡 / 分子モーター / シャペロニン
Research Abstract	分子動力学計算ソフトウェアNAMDを利用して、電子顕微鏡像をポテンシャルとする外力(Steering Force)として分子動力学計算に組み込んだ新規のアルゴリズムを開発した。我々は、これを、空間制限分子動力学法(Spatially-Restricted Molecular Dynamics)と呼ぶ。平行移動、回転などのマイクロ秒からミリ秒の時間スケールの動きを、酔歩として組み込み、電子顕微鏡像の分解能を変更することにより、電子顕微鏡像による空間拘束をアニーリングとして取り扱うアルゴリズムも導入した。これにより、モータータンパク質分子の構造変化を模擬することに成功した。この手法は、HFSPの国際シンポジウム、生物物理学会年会で報告した。この原子モデル構築アルゴリズムを適用するための三次元画像取得することを目的として、画像解析法の開発とモータータンパク質の単粒子三次元再構成を行った。高分解能3次元構造を得るために、数多くの画像を取得し、平均化することが重要であった。そこで、電子顕微鏡による粒子画像の自動取得を目的とした新しい手法を開発し、査読付国際会議で発表した。また、三次元画像再構成のための新規アルゴリズムを開発し、日本生物物理学会年会において報告した。この手法を用いて、ミオシンVI、ダイニン、シトクロム酸化酵素の三次元再構成を行った。さらに、画像分類・統計処理法を用いて、シャペロニン構造の基質結合により誘導された構造変化を捉え、Protein Science誌に報告した。この手法は、モータータンパク質の高分解能構造の妥当性を検討する上でも重要である。また、ナノメータ分解能の電子顕微鏡三次元画像から原子モデルを構築するためのアルゴリズムを開発した。これらは、2004年生物物理学会年会にて報告した。