粒子系生物物理研究チーム

研究概要

主な研究成果

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ました。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きませんでした。
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」などのスーパーコンピュータ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 可能にしました。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ました。

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

主要論文

• Yu, I., Mori, T., Ando, T., Harada, R., Jung, J., Sugita, Y., and Feig, M.:
  "Biomolecular interactions modulate macromolecular structure and dynamics in atomistic model of a bacterial cytoplasm"
  eLife, 5, e19274 (2016).
  
• Jung, J., Naruse, A., Kobayashi, C., and Sugita, Y.:
  "Graphics Processing Unit Acceleration and Parallelization of GENESIS for Large-Scale Molecular Dynamics Simulations"
  J. Chem. Theory Comput. 12, 4947-4958 (2016).
  
• Matsunaga, Y., Komuro, Y., Kobayashi, C., Jung, J., Mori, T., and Sugita, Y.;
  "Dimensionality of Collective Variables for Describing Conformational Changes of a Multi-Domain Protein"
  J. Phys. Chem. Lett. 7, 1446-1451 (2016).
  
• Kobayashi, C., Matsunaga, Y., Koike R., Ota M., and Sugita Y.:
  "Domain Motion Enhanced (DoME) Model for Efficient Conformational Sampling of Multidomain Proteins"
  J. Phys. Chem. B 119, 14584-14593 (2015).
  
• Jung J., Kobayashi C., Imamura T., and Sugita Y.:
  "Parallel implementation of 3D FFT with volumetric decomposition schemes for efficient molecular dynamics simulations"
  Comp. Phys. Comm 200, 57-65 (2015).
  
• Fujisaki H., Moritsugu K., Matsunaga Y., Morishita T., and Maragliano L.:
  "Extended phase-space methods for enhanced sampling in molecular simulations: a review"
  Front. Bioeng. Biotechnol. (2015). doi: 10.3389/fbioe.2015.00125
  
• Matsunaga Y., Kidera A., and Sugita Y.:
  "Sequential data assimilation for single-molecule FRET photon-counting data"
  J. Chem. Phys. 142, 214115 (2015).
  
• Galvelis R., and Sugita Y.:
  "Replica State Exchange Metadynamics for Improving the Convergence of Free Energy Estimates"
  J. Comp. Chem. 36, 1446-1455 (2015).
  
• Jung J., Mori T., Kobayashi C., Matsunaga Y., Yoda T., Feig M., and Sugita Y.:
  "GENESIS: A hybrid-parallel and multi-scale molecular dynamics simulator with enhanced sampling algorithms for biomolecular and cellular simulations"
  WIREs Comp. Mol. Sci. 5, 310-323 (2015).
  
• Feig M., Harada R., Mori T., Yu I., Takahashi K., and Sugita Y.:
  "Complete Atomistic Model of a Bacterial Cytoplasm for Integrating Physics Biochemistry, and Systems Biology"
  J. Mol. Graph. Modeling 58, 1-9 (2015).
  

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