| 研究課題/領域番号 |
16K21094
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| 研究機関 | 名古屋大学 |
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研究代表者 |
安藤 嘉倫 名古屋大学, 工学研究科, 特任講師 (80509076)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 細胞膜 / 脂質二重層膜 / 非対称な脂質組成 / グリセロリン脂質 / スフィンゴ脂質 / コレステロール / 膜物性 / 脂質ラフト |
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| 研究実績の概要 |
研究初年度の本年は, まず細胞膜の内単層膜と外単層膜間にある脂質組成の非対称性について, 過去の研究事例の再精査および最近の研究成果の調査を行った。この分野における現在の一般的知識を再確認するとともに、実際に分子動力学(MD)計算の対象とする脂質二重層モデル膜系の設計指針を得た. 具体的には細胞膜を構成する主な脂質成分である各種グリセロリン脂質およびスフィンゴ脂質についてその内外単層膜間での分配比, それらリン脂質の尾部構成, およびコレステロールの分配比について, 計算系を構築しえる精度での知見を得た.
現在得られた知見をもとに実際の細胞膜の内単層膜と外単層膜脂質組成をそれぞれ模擬した2種類の脂質二重層モデル膜の計算系を計算機上に再現しMD計算を開始している。現在までに温度(310.15K)および圧力(1atm)一定条件下においてMD計算は数100ns進んでいる. 計算系が熱平衡状態に達していることを確認した上で, ２種の膜間での膜物性の違いを評価している最中である.
膜物性の解析は同じ単層膜内、および異なる単層膜間での相関に着目して行なっている.その詳細は今後の学会発表に譲るとして, 膜構造および脂質分子のダイナミクスをさまざまな相関関数により評価している. 膜物性について以前自らが行った脂質組成の非対称性を考慮しないMD計算結果とは異なる傾向が出ており, 今後さらに解析を進めることで新たな科学的知見の創出が期待できる.
MD計算を進めるにあたり計算の高速化は研究効率向上のため必須であり, 計算コードの最適化および方法論の開発についても同時に進めている. また細胞膜の成分のうち膜の秩序性を向上させる脂質成分についてその分子論および側方凝集形態を探るためのMD計算についても別途行っている.これら研究成果については英文論文誌に投稿, その一部をすでに公刊している.
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
研究初年度において研究背景についての再精査をもとに分子動力学(MD)計算の対象とする脂質二重層モデル膜計算系の構築を終え、実際のMD計算を開始することができた. MD計算は現状数100ns程度進んでおり, 得られたトラジェクトリーを元に新しい解析方法を考案するとともに, 計算時間長さにあまり依存しない物理量についての解析結果および結論が得られてきている. 次年度以降はこれら成果を対外発表するとともに論文としてまとめる.
MD計算は2種類の膜間での基本的な物性の違いを予見するためのの小さな系と脂質分子の側方混合についての本格的な解析を行うための大きな系をそれぞれ用意し, 前者について500ns程度, 後者について数100ns程度進んでいる. 主に小さな系での解析結果からは, 膜の構造, 膜の秩序性および膜を構成する脂質分子の運動性について2種類の膜間での差異が現れており, その生物学的意味を含めて現在検討中である.
膜を構成する脂質分子種のなかで膜の秩序性を高める役割をもつ脂質種は膜の機能上特に重要であり, 膜秩序性を高めるの分子メカニズムを解明するためのMD計算, およびその側方凝集形態を明らかにする研究についても平行して行い, 着々と成果をあげている.
研究効率向上のためにはMD計算をその精度を維持しつつ高速化する必要がある. 計算高速化のために一般的に用いられる多段時間ステップ数値積分法において, 原子間相互作用を基にした系の圧力を正しく計算する理論式の導出を行い, そのアルゴリズムをプログラムに実装することで計算精度を落とすことなくMD計算の高速化を実現した. この研究成果をすでに英文誌に公刊している.
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| 今後の研究の推進方策 |
一般に脂質二重層膜にはさまざまな時間スケールの運動を含み,特に脂質分子の側方混合を議論するには脂質分子の側方拡散が計算機上で十分再現できるほど長く分子動力学計算を実施しなければならない. 脂質分子の側方拡散係数のオーダーから必要な計算時間の目安として1マイクロ秒程度を見込んでおり, 2年目となる次年度に本格的な計算を進めこれを終了させた上で最終的な解析を進める.
さらに次年度以降は, あらわに脂質組成に非対称性を持った脂質二重層モデル膜の計算系構築を開始する. 具体的には, 現在計算を進めている2種類の系を単層膜ごと切り離してそれぞれ接合することで1つの二重層膜とする. しかしながら, 2種類の単層膜間で膜の平衡面積に違いがあるのでこれが同じとなるよう両者の脂質分子数をスケールした上で接合する. その際には脂質二重層膜全体で界面張力がゼロ,さらには単層膜ごとにも界面張力がゼロとなるような熱力学的条件を再現する必要があることに留意する.
あらわに非対称性を持った脂質二重層モデル膜では, 膜の構造, 膜の秩序性, および膜を構成する脂質分子の運動性に非対称性が生じることが予想される. MD計算により得られるトラジェクトリーを解析することでこれを定量的に明らかにする. さらに単層膜間での物性の相関についても反対側の単層膜が同種である場合とは異なることが予想される. 現在MD計算を進めている2種類の膜をレファレンスとして, この異なる単層膜間での物性の相関を定量的に明らかにしていく.
MD計算を進めるにつれ脂質成分どうしの側方向の混合を促進する方法論の開発およびソフトウェアへの実装がMD計算結果の妥当性を検証する上で必要であることがわかってきた. 来年度以降はこの方法論の開発および実装についても取り組む予定である. 既存の方法には例えばREST法などがありまずこの方法の実装を検討している.
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| 次年度使用額が生じた理由 |
研究初年度となる本年度は, 研究背景の再調査と計算系の設計（脂質二重層膜を構成する脂質分子種, 分子数, および電解質水溶液イオン濃度）に多くの時間を費やし本格的な分子動力学計算を開始したのは後半以降であった. 当初物品費の多くは計算機資源の取得に使用する予定であったが, 計算系を設計するため慎重に時間を費やした結果, たとえ当初予定額を使用したとしても年度内に分配された計算機資源を100%使用する目処が立たなかったため, 計算機資源の本格的な使用に要する物品費は次年度に繰り越すこととした.
先に述べたように初年度内の計算で得られたトラジェクトリーを用いて, 新しい解析方法の考案および先行的結果を得ており, 今後の研究遂行上問題とはならない.
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| 次年度使用額の使用計画 |
本格的なMD計算および結果の解析のために, 昨年度繰越ぶんを含めて物品費の多くを計算機資源に費やす予定である. 計算の進捗に伴いアウトプットデータを保存する媒体についても購入する必要が出てくるため, これについても予算内で購入する.
解析については自身で作成したプログラムを用いて行うが, その高速化のために最新の並列化対応コンパイラーおよび数値ライブラリを購入する. また解析の理論的背景を押さえるため, 初年度に引き続き英文の専門書籍を多数購入予定である.
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