Multi-scale molecular dynamics simulation on biomolecular dynamics in crowded cellular environments

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細胞内分子混雑環境における蛋白質の動的構造と機能に関する計算と実験による共同研究を行い、新たな計算科学ツールとしてのマルチスケール分子動力学法を確立することがこの研究課題の目的である。昨年度までに開発した粗視化・全原子・QM/MMモデルに基づくMD計算手法を分子動力学ソフトウェアGENESISに導入し、「富岳」にも最適化されたGENESIS Version 2.0をフリーソフトウェアとして一般に公開した。特に粗視化MDについては、GENESIS_CG_Toolsを用いて、蛋白質や核酸が含まれる複雑な分子系のモデリングとMDの入力ファイル作成も可能となっているため、細胞内分子混雑環境や液液相分離に関する計算科学を行うための重要なツールとなりうる。さらに、実験データとMD計算を組み合わせるMELD法をGENESISに導入し、NMR実験によって得られた距離情報を満たす蛋白質構造を得ることができるようになってきた。また、QM/MMモデルを用いたMD計算の時間軸を伸ばすために、機械学習ポテンシャルの導入も検討し、予備的なプログラム開発を行った。応用研究としては、Grb2の溶液中の構造について大きな進展があった。NMR実験データに関するmulti-state構造計算法と主鎖15N核の緩和解析から，全長蛋白質においてcSH3ドメインのみがフレキシブルに挙動している描像を得た。この動的構造は、MELD法を用いて行ったMD計算の一部の結果とよく一致していた。また、Grb2二量体構造やDrk、Grb2の液液相分離実験、Drk/Sos/Dosなどの相互作用による生物活性発現メカニズムの考察も行った。もう一つの応用課題であるTRPSについてもαサブユニットへのIGP結合が、β反応に及ぼす影響を分子動力学計算とQM/MM解析によって解析し、２本の論文としてまとめることができた。