2019 Fiscal Year Annual Research Report
Multi-scale molecular dynamics simulation on biomolecular dynamics in crowded cellular environments
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19H05645
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
杉田 有治 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)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊藤 隆 首都大学東京, 理学研究科, 教授 (80261147)
優 乙石 前橋工科大学, 工学部, 准教授 (90402544)
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| Project Period (FY) |
2019-06-26 – 2024-03-31
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| Keywords | マルチスケールシミュレーション / 細胞内環境 / 液液相分離 / 蛋白質構造柔軟性 / 酵素反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、計算手法の開発（サブ課題AとB）と応用研究（サブ課題CとD）を行い、細胞内環境で起こる生命機能・生命現象を解明する。本年度は、研究グループ（理研、首都大学東京、前橋工科大学）で２回ミーティングを行い、それぞれの研究目標と共同研究の進め方などを議論した。理研では、QMMM、AAMD、CGMDなどのシミュレーション手法の開発を行い、分子動力学ソフトウェアGENESISに最新の機能を実装した。特に、2019年度に公開した最新バージョンGENESIS 1.4.0にQMMMの機能の一部を導入し、リリースすることができた。AAMDはすでに実績があるが、「富岳」で利用できる新しい機能の開発をおこなった。CGMDについても複数の粗視化分子モデルのサポートを新たに実現し、2020年度の公開に備えた準備を進めた。また、サブ課題Bとして、QMMMとAAMDなど異なるモデルを接続するアルゴリズム開発の一貫として、モデルを変えた場合の統計重みを変更する手法の開発に取り組んだ。基礎的な手法は準備ができており、いくつかの系でテスト計算を行うことで信頼性のある結果を得られるようになる。サブ課題Cではターゲットとするトリプトファン合成酵素のモデリングに取り組み、AAMDによる平衡化を行い、自由エネルギー計算を行うための準備ができた。サブ課題Dは分子構造の柔軟性と液液相分離の関係を調べることを目指しており、まずは溶液中のGrb2やDrkの構造アンサンブルを実験（NMR）と計算で得ることを目指して独立に研究を始めた。研究グループのミーティングにおいて、それらの結果を比較すると、結晶構造から大きく構造は異なるという点では一致した結果が得られたが、３つのドメインの相対的な配置が一致しなかった。この問題を令和２年度の研究で克服すべく研究を続ける。
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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
３つの組織からなる研究グループのコミニュケーションが円滑に進み、研究目標を達成するための役割分担、共同研究などの指針が具体的に立てることができた。さらに、それぞれの研究グループで手法の開発が進み、予備的な研究成果も出つつあり、令和２年度にはいくつかの研究成果を報告できる見込みがたった。本研究では開発した手法を広く公開して、アカデミアだけでなく産業界にも普及させることを目指しているが、その一環としてGENESIS1.4.0を2019年11月に公開することができた。その中には、QMMMの機能が初めて導入されており、酵素反応を含めて様々な研究活動に貢献できると考えられる。実験と計算の共同研究は重要なテーマの一つであるが、そのターゲットであるDrkやGrb2に関する研究の議論が進んでおり、結果を比較したり、一部の情報を取り入れたりする基礎ができてきた。さらに研究目標を明確にすることで一つずつ目標を達成できると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
計算手法の開発を行うサブ課題AとBについては、順調に進展しており現在のペースを維持して研究開発を進める。応用研究については、実験と計算の共同研究をより強く意識して、研究交流を活発に行うことで成果を達成できると考えられる。現在、ミーティング等を行うことが困難な状況であるが、SLACKやZOOMなどを用いたVirtual meetingを行うことで効率的に情報交換をする。またトリプトファン合成酵素については、競争相手がいることがわかってきたため、できるだけ早く研究成果をまとめていくこと、さらに詳しい解析を行う必要性が確認された。その点を強く意識して研究を推進する必要がある。
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