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粒子系生物物理研究チーム
Englishチームリーダー 杉田 有治(すぎた ゆうじ)
- sugita[at]riken.jp (拠点:神戸)
- Emailの[at]は@にご変更ください。
- 1998
- 京都大学大学院理学研究科化学専攻博士課程修了
- 1998
- 岡崎共同研究機構分子科学研究所助手
- 2002
- 東京大学分子細胞生物学研究所講師
- 2007
- 理化学研究所 杉田理論生物化学研究室准主任研究員
- 2010
- 理化学研究所 計算科学研究機構(AICS)(現在:計算科学研究センター(R-CCS))粒子系生物物理研究チームチームリーダー(現職)
- 2011
- 理化学研究所 生命システム研究センター(現在:生命機能科学研究センター)分子機能シミュレーション研究チーム チームリーダー(現職)
- 2012
- 理化学研究所 杉田理論分子科学研究室 主任研究員(現職)
- 2024
- 理化学研究所 計算科学研究センター(R-CCS) 副センター長(現職)
- 2024
- 理化学研究所 計算科学研究センター(R-CCS) AI for Scienceプラットフォーム部門 生命・医科学アプリインターフェース基盤開発ユニット ユニットリーダー(現職)
キーワード
- 分子動力学
- タンパク質ダイナミクス
- 自由エネルギー計算
- 機械学習
- 並列化
研究概要
我々は、様々な細胞内環境における生体高分子の構造・ダイナミクス・機能の解明を目指した分子動力学シミュレーションを行います。細胞質は希薄溶液とは異なり、無数のタンパク質や核酸・代謝物で混雑した環境です。また生体膜には様々な脂質分子やコレステロール、膜タンパク質が含まれており、多くの生命現象のプラットフォームとして働いています。このような環境を含めた生体分子ダイナミクスを理解するために、我々は粗視化モデル・全原子モデル・QM/MMモデルを組み合わせたマルチスケールモデルを用いた分子動力学計算を可能にしました。さらに、効率の良い構造探索手法・自由エネルギー計算・データ駆動の分子動力学などを含むソフトウェアGENESISを開発し、「富岳」などを用いた大規模なシミュレーションを行い、細胞内環境における分子動態を研究しています。
主な研究成果
粗視化モデル・全原子モデル・QM/MMモデルを組み合わせたマルチスケール分子動力学を実現するソフトウェアGENESIS 2.1を開発。生体分子系のシミュレーションは、一つのタンパク質の動的構造や基質との結合プロセスを予測するような分子レベルの計算から細胞内環境に含まれる多くのタンパク質・核酸・代謝物などを含む巨大な分子系まで様々なターゲットに対して適用されています。そのため、広い時空間スケールの探索が必要となります。一つの分子モデルだけでこのような広い時空間スケールの探索を有効に行うことはできないため、酵素反応についてはQM/MMモデルを用いて活性部位の電子状態までを正確に予測し、細胞質やクロマチンなどの大きなスケールのターゲットに対しては粗視化モデルを用いた分子動力学を行います。中間的なスケールでは原子粒度のモデルを用いた分子動力学計算がよく使われています。理研を中心に開発している分子動力学ソフトウェアGENESISの開発は2009年から始まった長い歴史がありますが、新しいバージョン(2.1)において、粗視化・全原子・QM/MMモデルを組み合わせたマルチスケール分子動力学計算を実現しました。それぞれのモデルを用いた分子動力学は高度に並列化されており、「富岳」などのスーパーコンピュータを用いて効率的に利用することができます。また、全原子分子動力学はGPGPUを用いて計算することもできます。この分子動力学計算と、様々な自由エネルギー計算法を組み合わせることで、創薬応用計算から疾患の原因解明につながる計算、基礎生物学的な問題解決を目指した計算など様々な応用研究が可能になりました。
主要論文
-
Jung J., Tan C., and Sugita Y.:
"GENESIS CGDYN: large-scale coarse-grained MD simulation with dynamic load balancing for heterogeneous biomolecular systems"
Nature Comm. 15, 3370 (2024). -
Jung J., Yagi K., Tan C., Oshima H., Mori T., Yu I., Matsunaga Y., Kobayashi C., Ito S., Ugarte La Torre D., and Sugita Y.:
"GENESIS 2.1: High-Performance Molecular Dynamics Software for Enhanced Sampling and Free-Energy Calculations for Atomistic, Coarse-Grained, and QM/MM models"
J. Phys. Chem. B 128, 6028-6048 (2024). -
Ugarte La Torre D., Takada S., and Sugita, Y.;
"Extension of the iSoLF implicit-solvent coarse-grained model for multicomponent lipid bilayers"
J. Chem. Phys. 159, 075101 (2023). -
Jung J., Kobayashi C., and Sugita Y.:
"Acceleration of generalized replica exchange with solute tempering simulations of large biological systems on massively parallel supercomputer"
J. Comp. Chem, 44, 1740-1749 (2023). -
Mizutani A., Tan C., Sugita Y., and Takada S.:
"Micelle-like clusters in phase-separated Nanog condensates: A molecular simulation study"
PLoS Comp. Biol. 19, e1011321 (2023). -
Matsunaga Y., Kamiya M., Oshima H., Jung J., Ito S., and Sugita Y.:
"Use of multistate Bennett acceptance ratio method for free-energy calculations from enhanced sampling and free-energy perturbation"
Biophys. Rev.14, 1-10 (2022). -
Zhang Y., Kobayashi C., Cai X., Watanabe S., Tsutsumi A., Kikkawa M., Sugita Y., and Inaba K.:
"Multiple sub state structures of SERCA2b reveal conformational overlap at transition steps during the catalytic cycle"
Cell reports 41, 111760 (2022). -
Kobayashi C., Matsunaga Y., Jung J., and Sugita Y.:
"Structural and energetic analysis of metastable intermediate states in the E1P–E2P transition of Ca2+-ATPase"
Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 118, e2105507118 (2021). -
Jung J., Kasahara K., Kobayashi C., Oshima H., Mori T., and Sugita Y.:
"Optimized Hydrogen Mass Repartitioning Scheme Combined with Accurate Temperature/Pressure Evaluations for Thermodynamic and Kinetic Properties of Biological Systems"
J. Chem. Theory Comput. 17, 5312-5321 (2021). -
Mori T., Jung J., Kobayashi C., Dokainish H.M, Re, Yuji Sugita
"Elucidation of Interactions Regulating Conformational Stability and Dynamics of SARS-CoV-2 S-Protein"
Biophys. J. 120, 1060-1071 (2021).
Annual Reports
関連プレスリリース等
- スパイクタンパク質の構造変化を予測 ~「富岳」による新型コロナウイルス感染の分子機構の解明~(2022年4月25日、理化学研究所ウェブサイト)
- 生体膜カルシウムイオン輸送の分子機構を解明(2021年9月28日)
- 混雑した細胞内で薬はどう効くのか -生体内環境を考慮した酵素と阻害剤の結合シミュレーション-(2021年7月9日、理化学研究所ウェブサイト)
- 新型コロナウイルス感染の分子機構を解明 -医薬品の分子設計に貢献する「富岳」による新しい知見-(2021年2月18日、理化学研究所ウェブサイト)
- 1分子計測のデータ同化による生体分子構造ダイナミクス -小タンパク質が折り畳まれる際の中間構造・パスウェイを特定-(2018年5月15日、理化学研究所ウェブサイト)