Theoretical study on transition path search algorithms in complex biomolecular systems

2018 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 16KT0054
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 特設分野
• Research Field: Transition State Control
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: TAKADA Shoji 京都大学, 理学研究科, 教授 (60304086)
• Project Period (FY): 2016-07-19 – 2019-03-31
• Keywords: 計算生物物理 / 生体分子シミュレーション / 遷移経路探索 / マルコフ状態モデル

Outline of Final Research Achievements

We developed and implemented algorithms that can characterize large-scale structural changes in large-biomolecular complexes. Then, the methods are applied to biological problems, in this case, nucleosome structural dynamics.
First, we investigated thermally-driven spontaneous and ATP-dependent chromatin remodeler-driven nucleosome sliding processes. For the purpose, utilizing our own coarse-grained molecular dynamics methods, we could perform complete transition pathways analysis via Markov-state-modeling. In addition, we realized free energy landscape of nucleosome self-organization, again via Markov state modeling, from which we obtained detailed and salt-concentration dependent nucleosome formation/disassembly pathways.

Free Research Field

計算生物物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ヌクレオソーム構造・動態は、近年のクロマチン研究・エピゲノム研究に関連して盛んに研究がおこなわれている。大部分は実験研究であるが、本研究は実験データに基づきながら分子動態を可視化することに成功しており、ヌクレオソーム動態にユニークな視点を与えた。
それを可能にした要因は、独自の粗視化分子シミュレーション技法と、マルコフ状態モデリングの組合せである。この方法は複雑分子系についてその遷移状態を詳細に解析する方法として強力なものであるといえる。同時に、他の研究者の利用に資するために、開発し研究に利用したシミュレーションソフトウエアCafeMolのソースコードをすべて公開している。