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

开发能够实现化学反应的粗粒度分子动力学技术及其在转录系统中的应用

基本信息

批准号：
19J14515
负责人：
新稲亮
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19J14515/
关键词：
分子動力学粗視化モンテカルロ法

项目摘要

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。

细胞的复杂功能是通过各种分子机器的合作工作来实现的。分子模拟是研究详细的分子机制的有用工具，但是涉及化学反应的模拟在计算上昂贵，并且可以模拟的时间尺度受到限制。这项研究旨在通过将粗粒细粒的分子动力与蒙特卡洛法相结合并使用它来阐明细胞如何控制其功能来降低这种计算成本。今年的主要结果是首先对镁离子进行建模，该离子在核酸的化学反应中起重要作用。结构参数是通过在每个晶体结构和DNA-蛋白质复合物的镁态下通过总原子计算确定的。 DNA和离子之间的相互作用引入了方向依赖性相互作用。该模型是一个广泛可用的模型，不仅可以用于当前系统，还可用于通过调节参数以及除离子以外的其他配体的表达来对其他蛋白质/核酸复合物的粗粒分子动力学模拟。在引入该模型的系统中进行了扩展采样，计算了DNA位置的自由能形地，并根据单分子实验的结果获得了与所提出模型的正确一致性。同时，为了完善蒙特卡洛计算中的反应条件，使用QM/mm方法搜索了反应路径。根据现有研究预测的反应路径提前引入了外力，并获得了候选反应路径，并在每个点进行模拟以纠正外力。该路径中的结构参数作为参数引入了粗粒模拟中。