2018 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, 生命機能科学研究センター, 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、一分子粒度で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の開発・実装を目的としている。
昨年度までで、分子を陽に表現した粒子法としては世界でも最高性能を有する拡張グリーン関数動力学法（以下eGFRD法）を拡張し、分子の向きとその回転拡散を計算可能にした。また、その分子の角度が反応に与える影響について定量的な評価を行った。本年度では細胞膜上での計算を目的とし、eGFRD法及び別の粒子法である微視格子法について、二次元構造上の反応拡散の開発・実装を行った。
はじめに、微視格子法は空間を分子径程度の微細な格子に分割し、その中で離散的に分子の動態を扱う一分子粒度の反応拡散計算手法である。eGFRD法と比べて、非常に高速かつ柔軟な計算が利点であった。しかしその一方でその計算の正しさについては背景となる理論が十分でないため、経験的なものに留まっていた。そこでChewらと共同で微視格子法の三次元・二次元上での反応拡散についての精緻な理論を求め、計算精度を保証するとともに、これまで経験的に用いていたものより高い精度を与える格子径に関する式を得ることに成功した。
次に、eGFRD法について二次元構造体上の反応拡散計算を可能にした。これまでのeGFRD法は、自由な三次元空間中に適用範囲が限定されていた。そこで、AMOLFのSokolowskiらと共同で二次元平面および一次元線分上での反応拡散へとeGFRD法を拡張した。さらに、本研究室の新稲らと共同でポリゴンで表現された複雑な二次元構造体上での反応拡散を可能とする新たな実装を行った。この複雑な形状に対応するため、新たに1つのグリーン関数を導出し、その精度についても数値的な検証を行った（論文未発表）。
本研究で実装されたコードは、既にオープンソースで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、当初の計画とは異なり、二次元構造体上での反応拡散計算手法の評価と実装を行った。昨年度までで当初の計画通り、ないしより進展が見られたため全体としての進捗に問題はない。従来のeGFRD法は優れた正確性と高速な計算性能を有するが、一方で適用範囲が三次元空間内に限定されていたため、細胞シミュレーションで利用可能な場面が限定されてしまうことが欠点となっていた。本研究課題においても、分子構造を拡張可能なものとすると同時に細胞膜の扱いは非常に重要なものであり、その計算手法の確立を優先することとした。本年度で二次元構造体上での反応拡散計算についての実装はおおむね完了し、目的は達成したと言える。同時に、本手法を実装・公開する基盤ソフトウェアであるE-Cellシステムについても安定版を公開し、公式なリリースを続けている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度までの進捗状況を受けて、来年度では本年度に予定されていた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行する。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の集合として表現することで、分子動力学計算で扱うような複雑な分子の構造を再現できるようにする。分子の向きについてもこれまでの角度に加えて、新たな軸を加えて3軸とする（ロール・ピッチ・ヨー）。また、進捗が順調であれば簡単な分子構造変化の実装も行う。
移譲により、これまで隔絶されていた細胞スケールの動態と分子構造レベルの動態を階層を超えて結び付け、連携させた生化学反応シミュレーションの実現を目指す。
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| Causes of Carryover |
初年度において計画されていた人件費未使用分が繰り越されたため、今年度も次年度使用額が生じた。来年度以降、人材を確保する。
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[Journal Article] eGFRD in all dimensions2019
Author(s)
Sokolowski Thomas R.、Paijmans Joris、Bossen Laurens、Miedema Thomas、Wehrens Martijn、Becker Nils B.、Kaizu Kazunari、Takahashi Koichi、Dogterom Marileen、ten Wolde Pieter Rein
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Journal Title
The Journal of Chemical Physics
Volume: 150
Pages: 054108～054108
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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