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多种分子机器的协同作用来实现的。分子模拟是研究详细分子机制的有用工具，但涉及化学反应的模拟计算成本昂贵，并且可以模拟的时间尺度有限。在这项研究中，我们的目标是通过结合粗粒度分子动力学和蒙特卡罗方法来降低计算成本，并用它来揭示细胞如何控制其功能目标。作为今年的主要成果，我们首先对镁离子进行了建模，镁离子在核酸的化学反应中发挥着重要作用。 DNA-蛋白质复合物的每个镁态的结构参数通过晶体结构和全原子计算来确定。我们引入了 DNA 和离子之间方向依赖的相互作用。该模型是一种广泛使用的模型，不仅可以用于该系统，还可以用于其他蛋白质/核酸复合物的粗粒度分子动力学模拟，以及通过调整参数来表示除离子以外的配体。我们在包含该模型的系统中进行了扩展采样，计算了 DNA 位置的自由能拓扑，并从单分子实验的结果中获得了与所提出的模型的校正一致性。同时，为了完善蒙特卡罗计算中的反应条件，我们使用 QM/MM 方法搜索反应路径。根据现有研究预测的反应路径引入外力并获得候选反应路径后，对各点进行模拟并对外力进行修正。沿着这条路线的结构参数被引入作为粗粒度模拟中的参数。