生命科学・創薬科学を指向した分子ダイナミクス分類理論の構築

• 研究課題/領域番号: 15KT0103
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 特設分野
• 研究分野: 連携探索型数理科学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 山下 雄史 東京大学, 先端科学技術研究センター, 特任准教授 (50615622)
• 研究分担者: 児玉 大樹 東京大学, 大学院数理科学研究科, 特任准教授 (40466826)
• 研究期間 (年度): 2015-07-10 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2018年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2017年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2016年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2015年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: 分子動力学シミュレーション / 分子生物学 / 数理科学 / 計算幾何学 / 時系列解析 / 分子シミュレーション / ダイナミクス変化 / 分子動力学 / タンパク質 / 分子ダイナミクス / 生体分子 / 分子設計 / エントロピー / 計算幾何 / 構造解析 / タンパク質-リガンド相互作用 / 解析理論

研究成果の概要

計算機が進歩したことで、近年、生体分子の分子動力学シミュレーションを大規模におこなうことができるようになった。本研究では、分子動力学シミュレーションから数理科学的手法でダイナミクスの様々な特徴を抽出する手法を考案した。例えば、skeletal coreの概念を使うことで、解析の中で見かけの運動が現れてしまう効果を抑えることができるようになった。また、特異スペクトル変換法をおこなうことで運動の変化を簡単に自動検知できるようになった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究は、最近の発展が目覚ましい分子動力学シミュレーションと数理科学的解析との融合を狙ったものである。実際に、skeletal coreや特異スペクトル変換の技術はこれまで検知できなかった生体分子の特徴を取り出すことに成功している。数理科学的手法で新たに解析できるようになった生体分子の特徴は、今後、生体分子の機能を解析したり医薬品を設計したりする基盤として役立つと考えられる。

研究成果

• [雑誌論文] Modified AMBER force-field (FUJI) parameters for sulfated and phosphorylated tyrosine residues: Development and application to CCR5-derived peptide systems (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamashita Takefumi, Okajima Ryo, Miyanabe Kazuhiro, Tsumoto Kouhei
  • 雑誌名: AIP Conf. Proc. 巻: 2186 ページ: 030013-030013
  • DOI: 10.1063/1.5137924
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Versatility of RNA-Binding Proteins in Living Cells (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Kurokawa et al.
  • 雑誌名: Biomedical Sciences 巻: 5 号: 1 ページ: 7-13
  • DOI: 10.11648/j.bs.20190501.12
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A SNP in a Steroidogenic Enzyme Is Associated with Phenotypic Sex in Seriola Fishes (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Koyama, M. Nakamoto#, K. Morishima#, R. Yamashita#, T. Yamashita#, K. Sasaki, Y. Kuruma, N. Mizuno, M. Suzuki, K. Okada, R. Ieda, T. Uchino, S. Tasumi, S. Hosoya, S. Uno, J. Koyama, A. Toyoda, K. Kikuchi, T. Sakamoto
  • 雑誌名: Current Biology 巻: 29 号: 11 ページ: 1901-1909
  • DOI: 10.1016/j.cub.2019.04.069
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 構造生物学2.0としての分子動力学シミュレーション：創薬応用への道 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山下雄史
  • 雑誌名: 月刊「細胞」(The Cell) 巻: 51 ページ: 606-607
• [雑誌論文] 抗体医薬品設計に IT 革命を: 理論と計算による挑戦 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山下雄史
  • 雑誌名: 月刊「細胞」(The Cell) 巻: 51 ページ: 344-347
• [雑誌論文] Efficiency Strategy for Peptide Design: a Comparative Study on All-atom, Coarse-grained, and Machine Learning Approaches (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Yamashita, R. Okajima, and N. Shoji
  • 雑誌名: AIP Conf. Proc. 巻: 2040 ページ: 020014-020014
  • DOI: 10.1063/1.5079056
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Liquid Structures Characterized by a Combination of the Persistent Homology Analysis and Molecular Dynamics Simulation (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Sasaki, R. Okajima, and T. Yamashita
  • 雑誌名: AIP Conf. Proc. 巻: 2040 ページ: 020014-020014
  • DOI: 10.1063/1.5079057
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Multiplicity in Long Noncoding RNA Biomedical Sciences (2018)
  • 著者名/発表者名: 3.R. Kurokawa, R. Komiya, T. Oyoshi, Y. Matsuno, H. Tani, M. Katahira, K. Hitachi, Y. Iwashita, T. Yamashita, K. Kondo, R. Yoneda, Y. Yamaoki, N. Ueda, T. Mashima, N. Kobayashi, T. Nagata, A. Kiyoishi, M. Miyake, F. Kano, M. Murata1, N. Hamad, K. Sasaki, N. Shoji
  • 雑誌名: Biomedical Sciences 巻: 4 号: 2 ページ: 18-23
  • DOI: 10.11648/j.bs.20180402.11
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Tyrosine sulfation restricts the conformational ensemble of a flexible peptide, strengthening the binding affinity for an antibody (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Miyanabe, T. Yamashita, Y. Abe, H. Akiba, Y. Takamatsu, M. Nakakido, T. Hamakubo, T. Ueda, JMM. Caaveiro, and K. Tsumoto
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 57 号: 28 ページ: 4177-4185
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.8b00592
  • 査読あり
• [雑誌論文] Toward rational antibody design: recent advancements in molecular dynamics simulations (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Yamashita
  • 雑誌名: Int. Immunol. 巻: 30 号: 4 ページ: 133-140
  • DOI: 10.1093/intimm/dxx077
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] An ensemble docking calculation of lysozyme and HyHEL-10: Insight into the binding mechanism (2017)
  • 著者名/発表者名: Yamashita Takefumi、Takamatsu Yuichiro
  • 雑誌名: AIP Conf. Proc. 巻: 1906 ページ: 030022-030022
  • DOI: 10.1063/1.5012301
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular dynamics analysis to evaluate docking pose prediction (2016)
  • 著者名/発表者名: Takako Sakano, Md. Iqbal Mahmood, Takefumi Yamashita*, and Hideaki Fujitani
  • 雑誌名: Biophysics and Physicobiology 巻: 13 号: 0 ページ: 181-194
  • DOI: 10.2142/biophysico.13.0_181
  • NAID: 130005165376
  • ISSN: 2189-4779
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Towards Physical Understanding of Molecular Recognition in the Cell: Recent Evolution of Molecular Dynamics Techniques and Free Energy Theories (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Yamashita
  • 雑誌名: Biomedical Sciences 巻: 2 ページ: 34-47
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] On the Accurate Molecular Dynamics Analysis of Biological Molecules (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Yamashita
  • 雑誌名: AIP Conf. Proc. 巻: 1790 ページ: 020026-020026
  • DOI: 10.1063/1.4968652
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] 分子動力学シミュレーションを用いた抗体設計の可能性: ”動き”に含まれる親和性のエッセンス (2020)
  • 著者名/発表者名: 山下雄史
  • 学会等名: CBI学会講演会「実験と計算化学を用いた抗体医薬設計の最近の進展」
  • 招待講演
• [学会発表] Effects of alanine substitution on antigen-antibody interaction: A molecular dynamics study (2019)
  • 著者名/発表者名: Takefumi Yamashita
  • 学会等名: International Congress on Pure & Applied Chemistry (ICPAC) Yangon 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Effect of the interfacial water molecule on the antigen-antibody interaction: A molecular dynamics study (2019)
  • 著者名/発表者名: Takefumi Yamashita
  • 学会等名: 15th International Conference of Computational Methods in Sciences and Engineering (CC symposium of ICCMSE 2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Mechanism of antibody-affinity enhancement through alanine-substitution (2019)
  • 著者名/発表者名: 山下雄史
  • 学会等名: 日本生物物理学会年会（Symposium “New horizon of in-silico drug discovery toward launching post-K computer”）
  • 招待講演
• [学会発表] 分子動力学シミュレーションでせまるタンパク質間相互作用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山下雄史
  • 学会等名: シンポジウム「化学反応経路探索のニューフロンティア2019」
  • 招待講演
• [学会発表] Effect of interface structure on the binding affinity of proteins: A molecular dynamics study (2018)
  • 著者名/発表者名: Takefumi Yamashita
  • 学会等名: IMS symposium "Water at interfaces 2018"
  • 国際学会
• [学会発表] Molecular dynamics in the antibody-antigen recognition (2018)
  • 著者名/発表者名: Takefumi Yamashita
  • 学会等名: Symposium on Eukaryotic Regulatory Biology in honor of M. Geoffrey Rosenfeld
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Structural effects on the antigen-antibody interaction: Insight from molecular dynamics simulations of biopolymers (2018)
  • 著者名/発表者名: Takefumi Yamashita
  • 学会等名: 14th International Conference of Computational Methods in Sciences and Engineering (CC symposium of ICCMSE 2017)(Thessaloniki, Greece / Invited lecture)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 分子動力学シミュレーションによる材料高分子の研究： 熱硬化性樹脂の高精度モデリング (2018)
  • 著者名/発表者名: 山下雄史
  • 学会等名: 第８回 NTChem ワークショップ
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] flat function の高階導関数について (2018)
  • 著者名/発表者名: 児玉大樹
  • 学会等名: 早稲田幾何学的トポロジーセミナー, 早稲田大学
• [学会発表] 分子動力学計算による抗原抗体複合体の形成過程の研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 山下雄史, 高松佑一郎
  • 学会等名: 日本化学会春季年会
  • 発表場所: 慶応義塾大学（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2017-03-16
• [学会発表] Molecular Dynamics Analysis of Protein Complex Structures (2017)
  • 著者名/発表者名: Takefumi Yamashita
  • 学会等名: 10th International Conference on Computational Physics (ICCP10)
  • 発表場所: Macau, China
  • 年月日: 2017-01-16
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A Molecular Dynamics Study on Antigen-Antibody Recognition (2017)
  • 著者名/発表者名: Takefumi Yamashita
  • 学会等名: 13th International Conference of Computational Methods in Sciences and Engineering (CC symposium of ICCMSE 2017)(Thessaloniki, Greece / Invited lecture)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 分子動力学シミュレーションによる生体高分子の研究：RNAへの展開の現状と可能性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 山下雄史
  • 学会等名: 2017年度生命科学系学会合同年次大会(ConBio2017)ワークショップ
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 生体分子のダイナミクスと機能：分子動力学シミュレーションの非コードRNA研究ツールとしての可能性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 山下雄史
  • 学会等名: 一般財団法人バイオインダストリー協会主催"未来へのバイオ技術" 勉強会「長鎖非コードRNA研究の進歩と可能性」
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 分子動力学シミュレーションによるタンパク質の分子認識の研究：分子デザインへの挑戦 (2017)
  • 著者名/発表者名: 山下雄史
  • 学会等名: 量子系分子科学セミナー（理化学研究所計算科学研究機構）
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Molecular Environment effects on the protein structure: Molecular dynamics studies on the antigen-antibody interface (2017)
  • 著者名/発表者名: Takefumi Yamashita
  • 学会等名: 生物物理学会(Symposium: Molecular-Level Analysis of Environment Effect toward Tuning of Protein Structure and Function)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 分子動力学計算による抗原と抗体の結合過程の研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 山下 雄史・高松 佑一郎
  • 学会等名: 分子科学討論会
• [学会発表] flat function についての考察 (2017)
  • 著者名/発表者名: 児玉大樹
  • 学会等名: 玉原トポロジー・幾何セミナー, 東京大学玉原国際セミナーハウス
• [学会発表] flat function の高階導関数について (2017)
  • 著者名/発表者名: 児玉大樹
  • 学会等名: 「葉層構造と微分同相群2017 研究集会」Foliations and Diffeomorphism Groups 2017, 東京大学玉原国際セミナーハウス
• [学会発表] On Quantitative Understanding on Antigen-Antibody Interaction through All-atom Molecular Dynamics Simulations (2017)
  • 著者名/発表者名: Takefumi Yamashita
  • 学会等名: 3rd Symposium on Biophysics Postgraduate Research in Hong Kong
  • 発表場所: Hong Kong, China
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] (RNAの)平面図とarc diagram (2017)
  • 著者名/発表者名: 児玉大樹
  • 学会等名: 生命動態とその数理
  • 発表場所: 島根県松江市
• [学会発表] Advancement and challenge in the all-atom molecular dynamics simulation for biomolecular systems (2016)
  • 著者名/発表者名: Takefumi Yamashita
  • 学会等名: 第３９回日本分子生物学会年会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2016-11-30
  • 招待講演
• [学会発表] Molecular Dynamics Simulation of Biomolecules: Accuracy Improvement and Computational Conditions (2016)
  • 著者名/発表者名: Takefumi Yamashita
  • 学会等名: 12th International Conference of Computational Methods in Sciences and Engineering (CC symposium of ICCMSE 2016)
  • 発表場所: Athens (Greek)
  • 年月日: 2016-03-20
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 分子動力学シミュレーションと蛋白質-小分子相互作用 (2016)
  • 著者名/発表者名: 山下雄史
  • 学会等名: 第８９回薬理学会年会 シンポジウム「計算科学的アプローチによる薬理学研究の新展開」
  • 発表場所: 横浜
  • 年月日: 2016-03-11
  • 招待講演
• [学会発表] Protein structure analysis and SO(3) (2016)
  • 著者名/発表者名: 児玉大樹
  • 学会等名: トポロジーとコンピュータ2016
  • 発表場所: 秋田県秋田市
• [備考] 論文一覧
  • URL: http://www.lsbm.org/?publication_category=tss_publications
• [備考] 子シミュレーションを使った抗体設計
  • URL: http://www.lsbm.org/2018/04/12/
• [備考] 解説記事の月間アクセス数ランキングが1位に
  • URL: http://www.lsbm.org/2018/02/09/