化学反応を可能にする粗視化分子動力学技法の開発とその転写システムへの応用

細胞の複雑な機能は、多様な分子機械の協同的な働きによって実現されている。その詳細な分子機構の調査には分子シミュレーションが便利な道具となるが、化学反応を含むようなシミュレーションは計算コストが高く、シミュレーションできる時間スケールは限られる。この研究では、粗視化分子動力学とモンテカルロ法を組み合わせることによってこの計算コストを削減し、それを用いてそれを用いて細胞がその機能をどのように制御しているかを明らかにすることを目指す。本年度の主な成果として、まず、核酸の化学反応に重要な役割を果たすマグネシウムイオンのモデル化を行った。構造パラメータは、結晶構造と、DNA-タンパク質複合体のそれぞれのマグネシウム状態での全原子計算によって決定した。DNA-イオン間の相互作用には方向依存的な相互作用を導入した。このモデルは今回の系のみならず、パラメータの調整によって他のタンパク質・核酸複合体の粗視化分子動力学シミュレーションや、イオン以外のリガンドの表現にも転用できる、広く利用可能なモデルである。このモデルを導入した系において拡張サンプリングを行い、DNAの位置について自由エネルギー地形を計算し、一分子実験の結果から提案されているモデルとの訂正的な一致を得た。並行して、モンテカルロ計算での反応の条件を精緻化するため、QM/MM法によって反応経路の探索を行った。あらかじめ既存研究から予測されている反応経路に従って外力を導入し、反応経路の候補を得た後、各点においてシミュレーションを行い、外力に対する補正を行った。この経路での構造パラメータを粗視化シミュレーション内にパラメータとして導入した。

細胞の複雑な機能は、多様な分子機械の協同的な働きによって実現されている。その詳細な分子機構の調査には分子シミュレーションが便利な道具となるが、化学反応を含むようなシミュレーションは計算コストが高く、シミュレーションできる時間スケールは限られる。この研究では、粗視化分子動力学とモンテカルロ法を組み合わせることによってこの計算コストを削減し、それを用いてそれを用いて細胞がその機能をどのように制御しているかを明らかにすることを目指す。本年度の主な成果として、まず、核酸の化学反応に重要な役割を果たすマグネシウムイオンのモデル化を行った。構造パラメータは、結晶構造と、DNA-タンパク質複合体のそれぞれのマグネシウム状態での全原子計算によって決定した。DNA-イオン間の相互作用には方向依存的な相互作用を導入した。このモデルは今回の系のみならず、パラメータの調整によって他のタンパク質・核酸複合体の粗視化分子動力学シミュレーションや、イオン以外のリガンドの表現にも転用できる、広く利用可能なモデルである。このモデルを導入した系において拡張サンプリングを行い、DNAの位置について自由エネルギー地形を計算し、一分子実験の結果から提案されているモデルとの訂正的な一致を得た。並行して、モンテカルロ計算での反応の条件を精緻化するため、QM/MM法によって反応経路の探索を行った。あらかじめ既存研究から予測されている反応経路に従って外力を導入し、反応経路の候補を得た後、各点においてシミュレーションを行い、外力に対する補正を行った。この経路での構造パラメータを粗視化シミュレーション内にパラメータとして導入した。