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形ある生体高分子間の力学的な情報伝達・相互干渉の数理

研究課題

研究課題/領域番号 18KK0388
研究種目

国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(A))

配分区分基金
研究分野 生物物理・化学物理・ソフトマターの物理
研究機関立命館大学 (2021-2023)
広島大学 (2018-2020)

研究代表者

冨樫 祐一  立命館大学, 生命科学部, 教授 (50456919)

研究期間 (年度) 2019 – 2024
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
9,490千円 (直接経費: 7,300千円、間接経費: 2,190千円)
キーワード生物物理学 / 生体高分子 / 分子複合体 / 構造機能相関 / 分子動力学 / 反応拡散系 / 数理モデル / 進化 / シミュレーション
研究開始時の研究の概要

タンパク質などの生体高分子の中には、状態の変化(例えば酵素であれば反応のサイクル)に依存して形が変わるものがあります。一方で、形の違いが、分子の結合しやすさ・反応しやすさといった特性に影響することがあります。すなわち、形と機能とが相互に影響し合うことが予想されます。では、複数の分子が互いに形を変えつつ相互作用する場合には、どのようなことが起こるでしょうか。本研究では、このような分子の「形」を介した化学反応や情報伝達への影響を、数理的に検討します。細胞核内のクロマチン構造(DNAとタンパク質の複合体)など、生物学的に興味深い系の解析にも応用できる可能性があります。

研究実績の概要

本研究では、旧来の反応拡散系研究では無視されていた分子構造あるいは形の問題に取り組み、形の変化する生体高分子の間での化学反応や情報伝達に対する理論を得ることを目的としている。新型コロナウイルス感染症の影響で渡航延期が続いたため、オンラインで連絡を取りつつ、日本側・英国側それぞれで、DNAの物性に関する数理モデル構築と分子動力学計算を用いた評価を進めてきた。時間的制約から、前年度に引き続き、今年度も短期間の渡航で論文執筆と今後の研究のための議論を集中的に行い、以降はオンラインで連絡を取りつつ研究を進めることとした。
DNAの物性に関連して、周期境界条件下での粗視化ポリマーモデルと全原子モデルの振舞いを解析し、境界条件の影響や粗視化モデル構築への指針について考察した。これについては論文1報を出版したほか、DNA損傷時の構造動態などへの応用を模索しており、関連するテーマで予備検討と学会発表を行った。加えて、タンパク等の分子機械の構造・機能の共進化を考察すべく、弾性ネットワークを基にした新たな粗視化モデルを考案し、研究協力者(大学院生)の協力を得て進化的シミュレーションを行うなど解析を進めている。
また、米国の実験グループも交え、リボソーム内でのmRNA-tRNA間相互作用と翻訳開始との関係について、分子動力学計算を用いた解析を行っている。今年度は、修飾塩基の影響の考察や、解析手法自体の再検討を進めた(本手法については解説論文1報を投稿中)。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

新型コロナウイルス感染症の影響により、2度目の渡航が2年半の延期と大幅な短縮を余儀なくされた影響が残っている。長期間の渡航が困難になったこともあり、短期間に分割した渡航で集中して議論を進められるよう計画を組み換えた。3度目の渡航で共著論文が完成し、年度内に出版できたことで、当初計画とは違う形ではあるが成果は得られた格好である。

今後の研究の推進方策

渡航が不可能であった間に状況が変化したこともあり、渡航期間の大幅な短縮は避けがたい状況ではあるが、研究目的を大きく変えない範囲で計画を組み換えたことで成果自体は得られつつある。時間が限られていることから、研究協力者(大学院生)の協力を得て国内で作業を進めておき、次回(最終回)渡航時に結果を持ち込んで議論と論文執筆を集中的に行う。

報告書

(5件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 2019 実施状況報告書
  • 研究成果

    (33件)

すべて 2024 2023 2022 2021 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 3件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (24件) (うち国際学会 3件、 招待講演 8件) 図書 (1件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] Asymmetric Periodic Boundary Conditions for All-Atom Molecular Dynamics and Coarse-Grained Simulations of Nucleic Acids2023

    • 著者名/発表者名
      Radek Erban, Yuichi Togashi
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 127 号: 38 ページ: 8257-8267

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.3c03887

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Translational recoding by chemical modification of non-AUG start codon ribonucleotide bases2022

    • 著者名/発表者名
      Yoshihiko Fujita, Takeru Kameda, Chingakham Ranjit Singh, Whitney Pepper, Ariana Cecil, Madelyn Hilgers, Mackenzie Thornton, Izumi Asano, Carter Moravek, Yuichi Togashi, Hirohide Saito, Katsura Asano
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 8 号: 14

    • DOI

      10.1126/sciadv.abm8501

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Molecular dynamics analysis of biomolecular systems including nucleic acids2022

    • 著者名/発表者名
      Kameda Takeru、Awazu Akinori、Togashi Yuichi
    • 雑誌名

      Biophysics and Physicobiology

      巻: 19 号: 0 ページ: n/a

    • DOI

      10.2142/biophysico.bppb-v19.0027

    • ISSN
      2189-4779
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Free energy landscape of RNA binding dynamics in start codon recognition by eukaryotic ribosomal pre-initiation complex2021

    • 著者名/発表者名
      Takeru Kameda, Katsura Asano, Yuichi Togashi
    • 雑誌名

      PLOS Computational Biology

      巻: 17 号: 6 ページ: e1009068-e1009068

    • DOI

      10.1371/journal.pcbi.1009068

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Structural dynamics of DNA depending on methylation pattern2021

    • 著者名/発表者名
      Takeru Kameda, Miho M. Suzuki, Akinori Awazu, Yuichi Togashi
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 103 号: 1

    • DOI

      10.1103/physreve.103.012404

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 形ある要素間の力学的相互作用をモデル化・定量する2024

    • 著者名/発表者名
      冨樫 祐一
    • 学会等名
      定量生物学の会 第十一回年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Modeling of Nano/Micro-machines in the Crowd: Mechanical Interference and Control2023

    • 著者名/発表者名
      Yuichi Togashi
    • 学会等名
      28th International Conference on Statistical Physics (STATPHYS28)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 形あるものが力学的に影響を及ぼしあうシステムの数理2023

    • 著者名/発表者名
      冨樫 祐一
    • 学会等名
      日本科学振興協会 年次大会2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Simultaneous Optimization of the Structure and Control of Machines: A Model Study2023

    • 著者名/発表者名
      Yuki Hamada, Yuichi Togashi
    • 学会等名
      第61回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 曲げられたDNA二本鎖における鎖切断後の構造変化2023

    • 著者名/発表者名
      片山 莉子,亀田 健,冨樫 祐一
    • 学会等名
      第46回日本分子生物学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 核酸複合体の分子動力学~モデリングと課題2022

    • 著者名/発表者名
      冨樫 祐一
    • 学会等名
      ゲノムモデリング研究会(2022年度遺伝研研究会)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 少数の反乱~数少ないものが化学反応・生物・社会に及ぼす影響を考える2022

    • 著者名/発表者名
      冨樫 祐一
    • 学会等名
      日本科学振興協会 第1回総会・キックオフミーティング
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Computational analysis of the start codon recognition mechanism based on free energy landscape2022

    • 著者名/発表者名
      Takeru Kameda, Katsura Asano, Yuichi Togashi
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会(2022年度)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] A reaction-diffusion model considering the conformational change of molecules and crowded states2022

    • 著者名/発表者名
      Masaki Okada, Yuichi Togashi
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会(2022年度)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Effect of D-aspartic acid on the conformational dynamics of amyloid-β1-42 protein2022

    • 著者名/発表者名
      Yu Fukuda, Takeru Kameda, Shin-ichi Tate, Yuichi Togashi
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会(2022年度)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 混雑環境と分子の構造変化を考慮した反応拡散モデル2022

    • 著者名/発表者名
      岡田 雅規、藤井 雅史、冨樫 祐一
    • 学会等名
      定量生物学の会 第十回年会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 少数性問題と構造機能相関を再考する2022

    • 著者名/発表者名
      冨樫 祐一
    • 学会等名
      定量生物学の会 第十回年会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 生化学反応と分子の状態・形・数 ~有限を問う~2021

    • 著者名/発表者名
      冨樫 祐一
    • 学会等名
      第61回生物物理若手の会夏の学校
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 生化学反応の数理~分子の状態・形・数2021

    • 著者名/発表者名
      冨樫 祐一
    • 学会等名
      基研研究会「開放系トポロジーの探求」
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Free energy landscape of RNA binding dynamics in start codon recognition by eukaryotic ribosomal pre-initiation complex2021

    • 著者名/発表者名
      Takeru Kameda, Katsura Asano, Yuichi Togashi
    • 学会等名
      第59回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Mechanical interference and control in micromachine crowds: Towards modeling of cells of singularity2021

    • 著者名/発表者名
      Yuichi Togashi
    • 学会等名
      The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2021
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] DNAの化学修飾と遺伝子発現制御2020

    • 著者名/発表者名
      亀田健、鈴木美穂、二階堂愛、粟津暁紀、冨樫祐一
    • 学会等名
      第64回システム制御情報学会研究発表講演会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] 生化学反応の数理~分子の状態・形・数の問題2020

    • 著者名/発表者名
      冨樫祐一
    • 学会等名
      非平衡オンライン若手の会2020 第3回セミナー
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] DNAのメチル化パターン依存的な構造動態の解析2020

    • 著者名/発表者名
      亀田健、鈴木美穂、粟津暁紀、冨樫祐一
    • 学会等名
      第58回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] 分子の状態と形態を考慮したクロマチン構造の統合的モデリングを目指して2020

    • 著者名/発表者名
      冨樫祐一
    • 学会等名
      第58回日本生物物理学会年会 シンポジウム「核酸が拓く新・生物物理研究」
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Toward Multiscale Modeling of Chromosomes in the Cell Nucleus2020

    • 著者名/発表者名
      Yuichi Togashi
    • 学会等名
      Global Meet on Computational Modeling and Simulation: Recent Innovations, Challenges & Perspectives
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Small-Number Issues in Biological Systems2020

    • 著者名/発表者名
      Yuichi Togashi
    • 学会等名
      Online Talk, Department of Mathematics, Birla Institute of Technology and Science (BITS), Pilani
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 分子の状態と形を考慮した核内クロマチン構造のマルチスケールモデリング2019

    • 著者名/発表者名
      冨樫祐一
    • 学会等名
      第42回日本分子生物学会年会 ワークショップ「細胞核地勢学」
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] DNAメチル化依存的なヌクレオソームのスライディング動態の解析2019

    • 著者名/発表者名
      亀田健、鈴木美穂、二階堂愛、粟津暁紀、冨樫祐一
    • 学会等名
      第37回染色体ワークショップ・第18回核ダイナミクス研究会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [図書] Advances in Computational Modeling and Simulation2022

    • 著者名/発表者名
      Yuichi Togashi (pp. 171-175); Rallapalli Srinivas, Rajesh Kumar, Mainak Dutta eds.
    • 総ページ数
      243
    • 出版者
      Springer Singapore
    • ISBN
      9789811678561
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [備考] 個人Webサイト(冨樫)

    • URL

      https://www.togashi.tv/lab/

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書 2022 実施状況報告書 2021 実施状況報告書 2020 実施状況報告書
  • [備考] Researchmap

    • URL

      https://researchmap.jp/togashi

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書 2022 実施状況報告書 2021 実施状況報告書
  • [備考] 計算生物学研究チーム(広島大学大学院統合生命科学研究科)

    • URL

      http://www.cbbc.hiroshima-u.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2019-02-06   更新日: 2024-12-25  

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