粒子系生物物理研究チーム

生体分子機能を予測する大規模分子動力学シミュレーション手法の開発

タンパク質、核酸、脂質分子などは細胞機能を担う重要な生体分子である。これら生体分子の立体構造はおもにX 線結晶構造解析などの実験的手法で決定されるが、その動的構造を明らかにして機能との関係を理解することが創薬などへの応用に重要である。生体分子の動的構造を解明するためには、分子動力学法を高速化することでシミュレーションが扱うことのできる時空間スケールを拡大する必要がある。

そのために、当研究チームはGENESIS(Generalized-Ensemble Simulation System) という新しい分子動力学ソフトウェアを開発し、並列化と高速化を進めるだけでなく、レプリカ交換分子動力学法やString 法など効率よく生体分子の構造変化を予測するアルゴリズムの開発を行っている。従来よく用いられている全原子分子モデルだけでなく、より高速化・大規模化を進めるために必要な粗視化分子モデルや、酵素反応を取り扱うことのできる量子力学/ 分子力学混合計算法（QM/MM 法）などを含むマルチスケール分子モデルの開発も行っている。さらに、1 分子計測実験など生体分子の動的構造情報を与える実験とシミュレーションの融合を可能とする新しい方法の開発をめざして、データ同化や機械学習などの手法を適用している。

おもな研究成果

世界初のバクテリア細胞質の全原子分子動力学計算に成功
これまでの分子動力学シミュレーションは、溶液中または脂質二重膜中にタンパク質または核酸を1 分子配置し、その生体分子の動的構造を調べるために行われていた。一方で、細胞質や細胞膜、細胞核などの環境の中での生体分子の動的構造や他の分子との相互作用に関するシミュレーションは、計算機資源やプログラムの能力の限界などの理由でほとんど行われてこなかった。

我々は、当研究チームで開発している分子動力学プログラムGENESIS の並列化を進めることにより、「京」を用いて細胞環境を考慮した大規模な生体分子のシミュレーションを可能にした。遺伝情報や生体分子情報が豊富なバクテリアMycoplasma genitalium の細胞質に含まれる多くのタンパク質、RNA、リボソームに、イオンやATP などの代謝物、水分子を加えた全原子モデルに基づく分子動力学計算を「京」を用いて行い、さらに詳細なトラジェクトリデータ解析を行うことで、細胞質内でのタンパク質の拡散、構造安定性、タンパク質間あるいはタンパク質・代謝物間の非特異的相互作用などに関する新たな知見を得た。

バクテリア細胞質の全原子構造モデルを用いたシミュレーション

講習会資料など

分子動力学ソフトウェアGENESISチュートリアル
 分子動力学ソフトウェアGENESIS講習会資料