Multi-scale molecular dynamics simulation on biomolecular dynamics in crowded cellular environments

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H05645
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Broad Section G
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: Sugita Yuji 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)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 伊藤 隆 東京都立大学, 理学研究科, 教授 (80261147) ; 優 乙石 前橋工科大学, 工学部, 准教授 (90402544)
• Project Period (FY): 2019-06-26 – 2024-03-31
• Keywords: 分子動力学 / マルチスケールモデル / 細胞内分子混雑環境 / 液液相分離 / 酵素反応ダイナミクス / NMR / SAXS / スーパーコンピュータ

Outline of Final Research Achievements

In this study, we developed multi-scale molecular dynamics methods including coarse-grained, all-atom, and QM/MM models using the molecular dynamics software GENESIS. We also optimized and parallelized it for "Fugaku" and other supercomputers, and made the results available to the public as free software. Using this computational platform, we have performed large-scale calculations of enzymatic reactions in solution and protein-ligand binding in crowded environments to understand molecular mechanisms underlying enzyme reaction dynamics and crowding effects on the ligand binding. We also investigated the dynamic structures and interactions of multi-domain proteins in solution and in droplets in the collaboration between computation and experiment. Through this study, we were able to clarify the dynamic structure of proteins in droplets and intracellular environments at the atomic and residue level resolutions.

Free Research Field

計算生物物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究で開発したマルチスケールMD計算法は、理研を中心に開発しているGENESISソフトウェアに導入され、フリーソフトウェアとしてすでに公開されている。アカデミアの研究者だけでなく、機能性材料や創薬開発などを行う産業界の研究者の中にも徐々に利用者が増えており、社会的意義も大きい。また、本研究で取り組んだ細胞内環境での酵素反応ダイナミクスや液滴形成と制御における蛋白質構造のダイナミクスの解析は、実験と理論の垣根を超えて、細胞内環境での生命現象を理解するために必要な研究であり学術的な意義がある。