2017 Fiscal Year Research-status Report
階層を超えて分子構造と細胞機能をつなぐ新規1分子粒度計算技法の開発とその応用
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17K18353
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
海津 一成 国立研究開発法人理化学研究所, 生命システム研究センター, 上級研究員 (80616615)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | シミュレーション / 生化学反応 / 分子構造 / 反応拡散 / 計算生物学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は反応拡散を計算する従来の粒子法を拡張し、分子動力学法をはじめとする分子構造計算との連携を可能とする新たな計算技法を開発・実装することを目的としている。その手始めとして本年度では、分子を反応表面も持ったひとつの剛体球として表現して反応拡散を計算する拡張グリーン関数動力学法(以下、eGFRD法)を拡張して、分子の向きとその回転拡散を計算可能にする実装を行った。
分子は本来構造を持ち、従って極性が存在するが、これまでのeGFRD法ではひとつの球として抽象化されていた。そこで、各分子の有する情報としてその位置と分子種、大きさに加えて二つの角度を持たせることとし、その時間発展を計算する実装を加えた。実際の分子構造ではこの角度に加えてもう一つの角度を内部状態として有するが、ここでは考慮していない。但し、今回の実装では分子の内部状態とその時間発展はこれまでの実装から切り離し、今後も自由に拡張・変更できるようになっている。
また、この角度が反応及びそのネットワークの動態に与える影響を確認するため、従来分子の全ての表面で反応が可能であったのを、表面の一部領域(パッチ)でのみ反応が起るように拡張し、それが酵素反応の再結合に与える影響についてシミュレーションを用いた計算を行なった。その結果、回転拡散を考慮した場合、従来よりも強い再結合の影響が確認された他、これまでのモデルでは見られなかったマクロスケールの反応速度とミクロスケールの反応速度の関係が観察され、以前実験的に計測された分子混雑下での反応動態との関係性も示唆された。
これらの内容は国内学会で口頭発表された他、実装されたコードは開発中からオープンソースで公開され、自由に利用可能である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、当初の計画通り、既存の計算技法であるeGFRD法に分子の回転角とその時間発展を計算する回転拡散を実装した。また、分子の表面の一部分を反応可能な領域とした場合の化学反応計算を実装し、これについては過去に回転拡散を考慮しないモデルで報告のあった二重リン酸化反応モデルを用いて確認を行なうことができた。以上から、初年度に想定していた基本的な分子の回転拡散の実装とその検証が十分に実現されたと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の結果を進捗状況を受けて、来年度では主に分子構造を取り入れた反応拡散シミュレーションの実装に移る。特に、これまで単一の粒子で表現されていた分子を複数の粒子を用いることで分子動力学計算で扱うような分子構造のように表現する。これにより、従来隔絶されていた細胞スケールの生化学反応ネットワーク計算と分子構造計算を連携可能なものとすることを目指す。
同時に本年度に引き続き、その応用課題としてゲノム制御モデルの更新を同時に進めていく。
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| Causes of Carryover |
予定したいた物品の購入を本年度中に行なうことが叶わなかったため。来年度以降に同等品か、より少額の物品の購入によって代替する予定。
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