計算機顕微鏡を指向した電子顕微鏡像・分子動力学法統合による原子モデルの構築

通过集成电子显微镜图像和计算机显微镜分子动力学方法构建原子模型

基本信息

批准号：
15650052
负责人：
安永卓生
金额：
$ 2.11万
依托单位：
Kyushu Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Exploratory Research
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至 2004
项目状态：
已结题

项目摘要

分子動力学計算ソフトウェアNAMDを利用して、電子顕微鏡像をポテンシャルとする外力(Steering Force)として分子動力学計算に組み込んだ新規のアルゴリズムを開発した。我々は、これを、空間制限分子動力学法(Spatially-Restricted Molecular Dynamics)と呼ぶ。平行移動、回転などのマイクロ秒からミリ秒の時間スケールの動きを、酔歩として組み込み、電子顕微鏡像の分解能を変更することにより、電子顕微鏡像による空間拘束をアニーリングとして取り扱うアルゴリズムも導入した。これにより、モータータンパク質分子の構造変化を模擬することに成功した。この手法は、HFSPの国際シンポジウム、生物物理学会年会で報告した。この原子モデル構築アルゴリズムを適用するための三次元画像取得することを目的として、画像解析法の開発とモータータンパク質の単粒子三次元再構成を行った。高分解能3次元構造を得るために、数多くの画像を取得し、平均化することが重要であった。そこで、電子顕微鏡による粒子画像の自動取得を目的とした新しい手法を開発し、査読付国際会議で発表した。また、三次元画像再構成のための新規アルゴリズムを開発し、日本生物物理学会年会において報告した。この手法を用いて、ミオシンVI、ダイニン、シトクロム酸化酵素の三次元再構成を行った。さらに、画像分類・統計処理法を用いて、シャペロニン構造の基質結合により誘導された構造変化を捉え、Protein Science誌に報告した。この手法は、モータータンパク質の高分解能構造の妥当性を検討する上でも重要である。また、ナノメータ分解能の電子顕微鏡三次元画像から原子モデルを構築するためのアルゴリズムを開発した。これらは、2004年生物物理学会年会にて報告した。

使用分子动力学计算软件NAMD，我们开发了一种新算法，该算法将分子动力学计算作为外力，并具有电子显微镜图像作为电势。我们称这种空间限制的分子动力学。还引入了一种算法，以通过将微秒到毫秒到毫秒的时间尺度运动（例如翻译和旋转）作为醉酒步行，并改变电子显微镜图像的分辨率来处理电子显微镜图像作为退火的空间约束。这已经成功模拟了运动蛋白分子的结构变化。该技术在HFSP国际研讨会和生物物理学会的年度会议上进行了报道。为了获取用于应用这种原子模型构建算法的三维图像，我们开发了一种图像分析方法，并进行了三维运动蛋白单粒子的重建。为了获得高分辨率的三维结构，获取和平均大量图像很重要。因此，开发了一种新方法，目的是使用电子显微镜自动获取粒子图像，并在同行评审的国际会议上介绍它们。此外，在日本生物物理学会年会上开发了一种新的三维图像重建算法。该技术用于对肌球蛋白VI，动力蛋白和细胞色素氧化酶进行三维重建。此外，使用图像分类和统计处理方法来捕获由伴侣蛋白结构的底物结合引起的结构变化，并在蛋白质科学杂志中报告它们。这种方法对于检查运动蛋白高分辨率结构的有效性也很重要。我们还开发了一种算法，用于从具有纳米分辨率的三维电子显微镜图像构建原子模型。这些是在2004年生物物理学会年度会议上报告的。