研究会2012 – 2016

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近年、QM/MM法を始めとする生体分子を対象とした量子化学計算は大きな発展を遂げ、生体分子のダイナミクスを考慮した自由エネルギー計算、反応経路探索、スペクトル計算が可能となった。酵素反応などの生化学的過程への応用計算は、様々な実験との接点を生み、存在感を増している。一方、理論計算の専門家の間で議論を尽くす機会は多くない。グランドアプリケーションと技術的ブレークスルーは表裏一体の関係にある。生体分子系量子化学が息の長い発展を続けるには、応用研究と方法論開発の両輪がバランスよく廻ることが重要である。本シンポジウムはその穴埋めをすることが目的である。生体分子系に対する量子化学計算の第一線で活躍する研究者を一堂に招待し、応用的課題の成果と現状の技術課題について、深く議論する。また、講演者を新進気鋭の若手も含めた幅広い層の中から選び、次世代において、生体分子系に対する広い意味での量子化学・分子動力学の融合領域が切り拓く可能性と将来性について議論する。

In living cells, a variety of soluble macromolecules exist in a very crowded environment. Recent advancements in in situ observations by NMR and in large scale simulations using K computer have been contributing to investigate the various effects perturbing proteins’ structures, dynamics and folding stabilities as well as the mechanisms permitting proteins to find their binding partners efficiently under the macromolecular crowding. In this symposium, we would overview the recent progresses and discuss future perspectives of the biophysical researches under intracellular environments in the field of life science.

（講演者）

パイラック　ガリージェイ (ノースカロライナ大学)
「分子間五次相互作用が細胞内でのタンパク質安定性を制御する」

岡村 英保, 木川 隆則 (理研・生命システム研究センター)
「分子混雑環境における蛋白質の NMR 緩和解析」

猪股 晃介 (独立行政法人 理化学研究所 生命システム研究センター)
「In-cell NMR 法による細胞内タンパク質の構造多様性解析」

池谷 鉄兵, 井上 仁, 伊藤 隆 (首都大学東京)
「生きた細胞中の天然変性蛋白質の動態」

ファイグ　マイケル, アスリ　イードリム (ミシガン州立大学)
「ゲノムと立体構造を結合したシミュレーション解析」

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Proteins, nucleic acids, lipids, and carbohydrate are major components of biological systems. To explore molecular dynamics of those complexes such as protein-membrane and cytoplasmic systems by computer simulations, realistic representation of molecules, reliable force-field parameters, and advanced techniques for whole structure modeling are required. The aim of this workshop is to offer an opportunity to exchange and share ideas from recent studies focusing on “Realistic modeling and simulations of biomolecular systems”.

（Speakers）

Alexander D. MacKerell, Jr. (University of Maryland, USA)
“A Polarizable Force Field for Biological Macromolecules based on the Classical Drude Oscillator Model”

Wonpil Im (University of Kansas, USA)
“Biomolecular Modeling and Simulation using CHARMM-GUI”

Michael Feig (Michigan State University, USA)
“Chromosomal Dynamics and Correlations between Gene Location and Protein Function from Experimentally-Driven Models of Bacterial Nucleoids”

Isseki Yu (Theoretical Molecular Science Laboratory, RIKEN)
“Dynamics and Interactions of Macromolecules in the Cytoplasm of Mycoplasma Genitalium: All-atom Molecular Dynamics Study”

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After ICMS2013, we would like to hold a one-day workshop on molecular simulations on biophysics and biochemistry. Here we invite 7 professors (all of them are the invited speakers of ICMS2013) and 6 young researchers in Japan. At workshop, we hope to have fruitful discussion about both simulation applications and methodological developments in this field.

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The overall aim of this workshop is to bring together a mix of computational and experimental researchers to discuss current challenges in developing comprehensive views of cellular environments. More specifically, there are three main themes: 1) What are the biophysical consequences of cellular environments on protein stability and dynamics beyond simple volume exclusion effects? 2) What are the details of the structure and dynamics of genomic DNA and its transcriptional regulation? 3) How can we develop realistic structural and dynamic models of interacting biomolecules at cellular levels? In this workshop, we invite 20 researchers from abroad and from Japan and would like to have fruitful discussion about this new research topics.

cellular nucleus is also a crowded environment where long DNA chains are packed with high densities. Recently, the high packed DNA structures with DNA binding proteins have been investigated using X-ray crystallography, cyoelectron microscopy, and small-angle X-ray scattering (SAXS). These updated experimental information encourages multi-scale computational modeling of nucleosomes or chromatin fibers. In the symposium, both experimental and computational scientists show the latest data and discuss about the structures and dynamics of genomic DNA in chromosome or nucleus.

（講演者）

河野 秀俊、米谷 佳晃、池部 仁善、櫻庭 俊、石田 恒 (日本原子力研究開発機構量子ビーム応用研究部門分子シミュレ ーション)
「ヌクレオソームDNA 弛緩状態の自由エネルギープロファイル」

胡桃坂 仁志(早稲田大学理工学術院先進理工学部)
「クロマチン高次構造形成におけるヌクレオソーム構造多様性」

高田 彰二(京都大学理学研究科生物物理学教室)
「モデルクロマチンの構造と転写因子ダイナミクスの粗視化シミュレーション研究」

前島 一博(国立遺伝学研究所)
「ヌクレオソームの線維は細胞内でどのように収納されているのか?」

Kazunari Kaizu, Koichi Takahashi (Laboratory for Biochemical Simulation, RIKEN Quantitative Biology Center (QBiC))
「Diffusion-controlled reaction rate-laws in intracellular environment with molecular crowding: A single-particle- level simulation study」

スパコン「 京 」の稼働が始まったが、すでに次の世代のスパコンの開発の動きが始まっている。次世代 スパコンでは、アクセラレータなど計算機環境も大きく変わると想定されるが、そこでどのようなサイエ ンスが行われるかが重要である。そこで、文部科学省の「将来の HPCI システムのあり方の調査研究」 の白書を元に、今後の大規模計算蛋白質科学について議論を行う。

（講演者）

池口 満徳（横浜市大・生命医）
「エクサフロップス時代の計算蛋白質科学」

杉田 有治（理化学研究所）
「細胞環境を考慮した分子シミュレーション」

吉井 範行（名大院・工・計算セ）
「次世代スパコンを用いた大規模分子動力学計算による蛋白質科学」

山下 雄史（東大・先端研）
「全原子分子動力学シミュレーションに基づく創薬支援:ペタフロップス時代から エクサフロップス時代への展望」

望月 祐志（立教大・理、東京大・生産）
「エクサフロップス時代の計算蛋白質科学」

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ポスター (PDF: 1.3MB)

糖鎖は、核酸•タンパク質とならぶ第3の生命鎖として、免疫反応やシグナル伝達•タンパク質の品質管理など多くの細胞機能と関わっている。NMRや計算化学手法の進歩に伴い、従来捉えることが困難であった糖鎖の立体構造ダイナミクスが明らかになりつつある。本シンポジウムでは、最先端で活躍される理論、実験研究者を講師としてお招きして、理論と実験の連携による新たな展開を討議する。

（講演者）

杉田 有治（理化学研究所•杉田理論分子科学研究室）
「はじめに」

山口 芳樹（理化学研究所•糖鎖構造生物学研究チーム）
「糖鎖構造生物学概観」

山本 一夫（東京大学大学院新領域創成科学研究科）
「タンパク質品質管理におけるマレクチンの機能」

Wonpil Im（Center for Bioinformatics, The University of Kansas）
「Toward Glycan Structure Modeling and Simulation」

李 秀栄（理化学研究所•杉田理論分子科学研究室）
「レプリカ交換分子動力学計算による糖鎖立体構造予測」

木下 聖子（創価大学工学部生命情報工学科
「糖鎖プロファイリング解析支援のツール開発」

北爪 しのぶ（理化学研究所•疾患糖鎖研究チーム）
「糖鎖修飾はＡβ産生を調節するのか？」

安藤 弘宗（岐阜大学応用生物科学部•京都大学iCeMS）
「動的ラフト科学へ一歩前進 ― 生細胞膜の1分子イメジングに向けたガングリオシドプローブの開発」

K computer (the ten Peta FLOPS supercomputer installed in Kobe) provides an enormous enhancement of the capability in computational life science. This symposium intends to bring forth the possibility of supercomputing in life science fully utilizing K computer. Particularly, it focuses on the multi-scale descriptions of molecular networks and cellular dynamics by integrating the molecular and the cellular simulation methods.

（講演者）

Michael Feig (ミシガン州立大学)
「Dynamics and stability of proteins in cellular environments」

高橋 恒一 (理化学研究所 QBiC, 慶大・先端生命研, 阪大・生命機能)
「スーパーコンピュータは細胞生物学をどう変えるか」

横田 秀夫 (理研 基幹研, 理研 次世代生命体統合シミュレーション)
「細胞内の場を考慮したシミュレータ RICS の開発」

玉田 嘉紀 (東京大・院情報理工)
「「京」による大規模遺伝子ネットワーク推定」

吉田 亮 (情報・システム研究機構 統計数理研究所)
「データ同化法にもとづくデータ統合・生体シミュレーション技術」