2021 Fiscal Year Research-status Report

外傷性脳損傷の初生：分子スケールでの細胞損傷の予測

Research Project

Project/Area Number	20K20169
Research Institution	Osaka University
Principal Investigator	重松大輝大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (50775765)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	分子動力学法 / リン脂質二重膜 / 破断 / 張力 / うねり / せん断流れ
Outline of Annual Research Achievements	本研究では，外傷性脳損傷のメカニズム解明のため，力学的負荷が分子スケールでどのように細胞の損傷につながるのかを明らかにすることを目的としている．本年度では，せん断流れが細胞膜へ与える影響を理解するために，せん断流れ下において膜に生じる張力について明らかにした．過去の理論モデルから，せん断流れ下では膜に負の張力が発生し，それが膜のバックリングと平面膜構造の崩壊を引き起こすことが予想されていた．本研究ではせん断流れ下のリン脂質二重膜の分子動力学シミュレーション行い，膜のうねりの特性および局所的な圧力テンソルを元にして膜に生じている張力の大きさを見積もった．見積もられた張力の大きさは理論的に予想されてた値とよく一致した．理論から予想されていたせん断流れにより発生する張力を数値計算を用いて定量的に推定したのは，本研究が初である．これらの結果はいくつかの国内学会で発表し，関連研究者と意見交換を行った．また，力学的負荷による血液脳関門の性質変化を分子レベルで明らかにするために，血管内皮細胞間の密な接続を維持しているタンパク質のモデリングに取り組んだ．複雑な構造を有する血液脳脳関門のタンパク質を対象にする前に，比較的シンプルな構造を持つ分子のモデリングを行い，化学構造から分子動力学シミュレーションで用いる全原子および粗視化モデルの作成過程を確立した．公開されている分子の化学構造を元に機械的に，原子間の相互作用パラメータを決定した全原子モデルを作成した．その全原子モデルを用いた分子動力学シミュレーションを行い，その結果を参照解として，粗視化モデルを半手動で作成した．この一連の流れを血液脳脳関門のタンパク質に適用することで，必要なタンパク質モデルを構築することができると期待される．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason せん断流れと膜の関係の詳細について理解が進むとともに，タンパク質の分子モデルの作成手法についても確立された．そのため，概ね順調に進展しているといえる．その一方で，対象とする系サイズの拡大に伴い，計算・解析に要する時間が増加した．
Strategy for Future Research Activity	次年度では，脳神経細胞膜モデルを用いて，せん断流れ下での膜の安定性と膜の組成の関係を明らかにする．また，血管内皮細胞のタイトジャンクションに関わるタンパク質であるCldnなどの分子モデルを作成し，それにより接続された膜間の構造と引張・圧縮・せん断といった力学的負荷との関係について明らかにしていく．
Causes of Carryover	新型コロナ感染症の流行により，参加予定であった国内外の学会が中止またはオンライン開催となり，その参加費や旅費として予定していた金額が次年度使用となった．また，計算系のサイズの拡大に伴い，利用していた大型計算機システムでは効率的な計算が難しくなった．そこで，本年度では繰越金と当初計画していた大型計算機使用料の一部を合わせて，新たに計算機を購入することで，計算資源を確保する予定である．