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マルチカノニカル分子動力学によるナノポーラス金とインテグリンの相互作用の動的解析

研究課題

研究課題/領域番号 20J15644
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
審査区分 小区分26010:金属材料物性関連
研究機関京都大学

研究代表者

出口 聡一郎  京都大学, エネルギー科学研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2020-04-24 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
1,900千円 (直接経費: 1,900千円)
2021年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2020年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
キーワードインテグリン / 分子動力学 / ナノポーラス金 / 細胞シグナル伝達 / 機械感受性
研究開始時の研究の概要

ナノポーラス金はナノメートルオーダーの孔を有するスポンジ状の金であり、接着した細胞の機能に多様な影響を及ぼす。ナノポーラス金はインテグリンと呼ばれる膜貫通タンパク質を介して細胞と相互作用すると考えられているが、その詳細な機構は明らかにされていない。本研究ではフルスケールインテグリンモデルに対して拡張アンサンブルを用いた分子動力学シミュレーションを実施し、ナノポーラス金が細胞に及ぼす影響を原子・分子レベルで解明することを試みる。最終的に、得られた計算結果を遺伝子解析等の実験結果と照合することで、基板から遺伝子に至るまでのシグナル伝達の詳細なロードマップを明らかにする。

研究実績の概要

本年度の到達目標を予定通りに遂行することができた。具体的には、前年度に取得した計算データを基に、研究目的であるインテグリン媒介型機械的シグナル伝達機構の解明に取り組んだ。
前年度に作成したフルスケールのインテグリンモデルにPerturbation Response
Scanning (PRS)を適用して擬似的なシグナル伝達過程を再現し、headドメインに作用させた応力がインテグリン構造を伝播する様子を調べた。その結果、インテグリンの膝部分(Genu)への金属イオン配位の抑制により、Genuドメインが軟化することで機械的シグナルが急激に減衰する様子が確認された。この事実はGenuドメインとCalf-1ドメイン間に応力伝達経路が形成されることで、細胞外から細胞内への機械的情報の伝達が安定化されるという前年度に得られた事実を裏付ける結果となった。
インテグリンαvβ3モデルに加え、αIドメインを有するα2β1や変異モデルを作成し、機械的引張力を付加する拡張MD計算等を実行することでシグナル伝達特性を比較した。その結果、αvβ3はβ鎖に直接作用した力が局所的な構造変化を連鎖的に誘発し、最終的にグローバルな構造活性化につながることで、基板の機械的情報を細胞内に伝達することが明らかになった。一方、α2β1に作用した力はαIドメイン内で分散し、αvβ3で見られたβ鎖内での局所構造変化を示さなかった。このように、αIドメインの有無がインテグリンの機械的シグナル伝達において重要な役割を果たしていることを明らかにした。以上の計算結果はインテグリンのαIドメインの構造やその中の荷電残基が、シグナル伝達に主要な役割を果たすことを示唆しており、細胞の機械的感受性を調べた既存の実験・計算事実とも整合している。
以上の研究成果は、国外論文へ執筆、掲載され、また国外ジャーナルの記事にも紹介された。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 6件) 学会発表 (6件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] New Dissimilar Joining Method of CFRP/A6061 Al by Cu Electrodeposition2021

    • 著者名/発表者名
      Naito Koji、Deguchi Soichiro、Hakamada Masataka、Mabuchi Mamoru
    • 雑誌名

      MATERIALS TRANSACTIONS

      巻: 62 号: 5 ページ: 688-690

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-M2020388

    • NAID

      130008029709

    • ISSN
      1345-9678, 1347-5320
    • 年月日
      2021-05-01
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Heterogeneous role of integrins in fibroblast response to small cyclic mechanical stimulus generated by a nanoporous gold actuator2021

    • 著者名/発表者名
      Deguchi Soichiro、Kato Atsushi、Wu Peizheng、Hakamada Masataka、Mabuchi Mamoru
    • 雑誌名

      Acta Biomaterialia

      巻: 121 ページ: 418-430

    • DOI

      10.1016/j.actbio.2020.12.014

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A new mechanism for reduced cell adhesion: Adsorption dynamics of collagen on a nanoporous gold surface2021

    • 著者名/発表者名
      Deguchi Soichiro、Yokoyama Ryo、Maki Takuya、Tomita Kazuki、Osugi Ryosuke、Hakamada Masataka、Mabuchi Mamoru
    • 雑誌名

      Materials Science and Engineering: C

      巻: 119 ページ: 111461-111461

    • DOI

      10.1016/j.msec.2020.111461

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dissimilar joining of alumina to aluminum at room temperature without applying a loading by two-step deposition2021

    • 著者名/発表者名
      Naito Koji、Deguchi Soichiro、Hakamada Masataka、Mabuchi Mamoru
    • 雑誌名

      Materials Letters

      巻: 286 ページ: 129245-129245

    • DOI

      10.1016/j.matlet.2020.129245

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Detachment of human mesenchymal stem cells from a gold substrate using electric current2020

    • 著者名/発表者名
      Sugiyama Hironobu、Osugi Ryosuke、Deguchi Soichiro、Yokoyama Ryo、Hakamada Masataka、Mabuchi Mamoru
    • 雑誌名

      Materialia

      巻: 13 ページ: 100866-100866

    • DOI

      10.1016/j.mtla.2020.100866

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Antibacterial activity of ultrathin platinum islands on flat gold against Escherichia coli2020

    • 著者名/発表者名
      Hakamada Masataka、Sakakibara Susumu、Miyazawa Naoki、Deguchi Soichiro、Mabuchi Mamoru
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 10 号: 1 ページ: 9594-9594

    • DOI

      10.1038/s41598-020-66504-w

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 深層強化学習による高効率モ ンテカルロシミュレーションの開発2021

    • 著者名/発表者名
      下野祐太, 出口聡一郎、袴田昌高、馬渕守
    • 学会等名
      2021年度 関東地域 3支部新進部会合同若手学生研究交流会 北関東・信 越支部技術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] MetaQNet: マルコフ連鎖モンテカルロと深層強化学習を組み合わせた非同期マルチエージ ェント拡張サンプリング2021

    • 著者名/発表者名
      下野祐太, 出口聡一郎、袴田昌高、馬渕守
    • 学会等名
      日本統計学会春季集会(第16回)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ナノポーラス金上のコラーゲンの吸着ダイナミクス2020

    • 著者名/発表者名
      出口聡一郎、横山遼、袴田昌高、馬渕守
    • 学会等名
      日本金属学会 2020 年春期(第 166 回)講演大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 非平衡分子動力学によるインテグリンの“膝”の機能解明2020

    • 著者名/発表者名
      出口聡一郎、袴田昌高、馬渕守
    • 学会等名
      日本金属学会 2020 年春期(第 166 回)講演大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] インテグリン全長構造の仮想引張シミュレーション:Genu ドメインにおける細胞メカノセンシング機構の解明2020

    • 著者名/発表者名
      出口聡一郎、袴田昌高、馬渕守
    • 学会等名
      日本金属学会 2020 年秋期(第 167 回)講演大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Sampling of integrin structures using invertible deep generative neural network (可逆な深層生成ニューラルネットワークを用いたインテグリンの構造サンプリング)2020

    • 著者名/発表者名
      出口聡一郎、袴田昌高、馬渕守
    • 学会等名
      第 43 回日本分子生物学会年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [備考] (1) Advances in Engineering/Nanotechnology (2021)

    • URL

      https://advanceseng.com/nanotechnology-engineering/

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] (2) 資源エネルギーシステム学研究室HP

    • URL

      http://www.res.energy.kyoto-u.ac.jp/d_deguchi.html

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] 資源エ\ネルギーシステム学研究室HP

    • URL

      http://www.res.energy.kyoto-u.ac.jp/d_deguchi.html

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

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公開日: 2020-07-07   更新日: 2024-03-26  

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