タンパク質界面の複雑ダイナミクスの解析：機械学習とMD計算に基づく新手法の開拓

• 研究課題/領域番号: 18K05025
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分32010:基礎物理化学関連
• 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)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2019年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円); 2018年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
• キーワード: 分子動力学 / 機械学習 / タンパク質間相互作用 / タンパク質 / 抗体 / シミュレーション / 分子動力学シミュレーション / 古典力学 / データベース / 分子ダイナミクス / ２次元カオス系 / 深層学習 / タンパク質-タンパク質相互作用

研究成果の概要

機械学習技術の発展により、人工知能は画像認識やチェスや囲碁などの分野において人間の知能を凌駕するようになってきた。本研究では、こうした機械学習技術を分子科学に導入することによって、タンパク質間に見られる重要なダイナミクス現象を解き明かしていくことを目指している。本研究では、まず、簡便なモデル系の運動を予測する機械学習技術を開発した。対象系を徐々に複雑にし、最終的には、抗体と抗体に捕えられた抗原の間の界面を、機械学習を活用して解析する技術の開発に成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

機械学習技術により、人間が認識できなかったものを認識することが可能になってきた。本研究では、抗体と抗体に捕えられた抗原の間の界面を、機械学習を活用して解析する技術の開発に成功した。抗原-抗体界面の複雑なダイナミクスの理解が深まると、抗原と強く結合できる抗体の設計が容易になると期待される。この研究成果は、分子と分子の複雑な関係性を紐解くと言う学術的意義だけでなく、抗体医薬品の設計にも役立つ可能性がある。

研究成果

• [雑誌論文] Effect of N343 glycosylation and N501Y mutation on the SARS-CoV-2 spike protein: Modeling and MD Simulations (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamashita Takefumi、Mitsui Takashi、Sasaki Kohei、Wada Mitsuhito、Matsuura Azuma、Kamiya Nozomu
  • 雑誌名: AIP Conf. Proc. 巻: 2611 ページ: 020008-020008
  • DOI: 10.1063/5.0119713
  • 査読あり
• [雑誌論文] Singular spectrum transformation for detecting molecular motion mode change of protein systems (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamashita Takefumi、Shoji Naoyuki
  • 雑誌名: AIP Conf. Proc. 巻: 2343 ページ: 020010-020010
  • DOI: 10.1063/5.0047736
  • 査読あり
• [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] 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] 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
• [学会発表] Properties of the Protein-Protein Interface Revealed by Molecular dynamics Simulations (2022)
  • 著者名/発表者名: Takefumi Yamashita
  • 学会等名: 18th International Conference of Computational Methods in Sciences and Engineering (QS symposium of ICCMSE 2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Molecular Dynamics Simulation for Biological and Material polymers (2022)
  • 著者名/発表者名: Takefumi Yamashita
  • 学会等名: International Congress on Pure & Applied Chemistry (ICPAC) 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] MDシミュレーションで考える抗原-抗体界面：合理的な抗体医薬品設計に向けて A molecular dynamics study on the antigen-antibody interface: Toward rational antibody drug design (2022)
  • 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
  • 招待講演
• [学会発表] MDシミュレーションで考える抗原-抗体界面における塩橋の役割：合理的な抗体設計に向けて (2022)
  • 著者名/発表者名: 山下雄史
  • 学会等名: 日本蛋白質科学会学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 結合自由エネルギーの定量的予測と分子設計のための構造モチーフ探索 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山下雄史
  • 学会等名: CBI学会第432回講演会「結合自由エネルギー計算は創薬研究戦略を変えるか」
  • 招待講演
• [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 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山下雄史
  • 学会等名: 構造活性フォーラム２０２１：次期スーパーコンピュータ『富岳』時代の計算創薬
  • 招待講演
• [学会発表] 抗原-抗体界面の塩橋の安定性とその役割に関する理論的研究（A theoretical study on the salt bridge stability on the antigen-antibody interface and its effect） (2021)
  • 著者名/発表者名: 山下雄史
  • 学会等名: 日本生物物理学会
• [学会発表] Salt Bridge Stability in the Antigen-Antibody Interface and its Impact on the Binding Affinity: Insight from Molecular Dynamics Simulations (2021)
  • 著者名/発表者名: Takefumi Yamashita
  • 学会等名: 17th International Conference of Computational Methods in Sciences and Engineering (QS symposium of ICCMSE 2021)
  • 招待講演
• [学会発表] Molecular dynamics simulations reveal the protein-protein interaction mechanism (2020)
  • 著者名/発表者名: Takefumi Yamashita
  • 学会等名: 16th International Conference of Computational Methods in Sciences and Engineering (CC symposium of ICCMSE 2020)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 抗原-抗体界面における塩橋安定性の理論的解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山下雄史
  • 学会等名: 第1回生体分子シミュレーション・モデリング研究会
• [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(招待講演)(国際学会)
  • 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] 分子動力学計算を用いた抗原抗体界面に存在する塩橋の安定性を決定する要因の研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡島亮、山下雄史
  • 学会等名: 分子科学討論会
• [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
• [図書] 化学便覧 基礎編 改訂6版 (2021)
  • 著者名/発表者名: 公益社団法人 日本化学会
  • 総ページ数: 1534
  • 出版者: 丸善出版
  • ISBN: 9784621305218