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齋藤, 大明 ; Saito, Hiroaki
概要:
金沢大学理工研究域数物科学系<br />本申請研究はタンパク質－基質複合体の構造予測の精度向上を目的に，ドッキングシミュレーションと分子動力学（MD）シミュレーションを連帯させた新しい計算手法を提案し，これを用い，結合ポケット内における基質
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の最安定配向の探索手法の開発を行い，計算プログラムの開発とテスト計算を行なう．さらに結合自由エネルギー解析からタンパク質結合サイトの同定と結合構造の同定を行なう．本研究ではリガンド－タンパク質モデルとしてEstrogen receptor (ER, PDB ID: 1WGR)を用いた。分子ドッキング計算はMD計算によって生成されたレセプターのアンサンブル構造に対して行う。本研究ではレセプターの分子誘導適合をモデルするために、ドッキングにより示された結合ポーズの構造最適化を行う。その後、最適化された結合構造に対しMM-GBSA法を用いてリガンド－レセプターの結合自由エネルギー（スコア値）を評価する。最後に、作成したリガンド分子配座に対して、結晶の基質座標をreferenceにした根平均自乗変位(RMSD)計算を行い、結果の正当性を評価する。本研究では1500個のレセプター構造に対して誘導適合分子ドッキング計算を行い、それらの結合ポーズに対するスコア値とRMSD計算を行った。ドッキングによって予測された全ての基質配座のスコア値（結合自由エネルギー）をRMSD値に対してプロットした結果、RMSDの値が小さくなるに従って結合エネルギーが低くなる結果が得られ、開発した手法の有効性が示された。最も結合エネルギーが低かった時のリガンド分子の結合構造のRMSD値は ~ 0.9オングストローム程度であり、結晶で解かれた基質配座とほぼ一致する結果を示した。<br />研究課題/領域番号:26102722, 研究期間(年度):2014-04-01 – 2016-03-31
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長尾, 秀実 ; Nagao, Hidemi
概要:
金沢大学理工学域数物科学系<br />X線構造解析により酸化型アズリン(Az)と還元型シトクロムc551(Cyt)の構造が知られている。各立体構造にプロトンを付加し、各活性部位付近の必要パラメータを各活性部位類似のクラスターモデルを用いて密
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度汎関数法(UB3LYP/6-31G^<**>/ESP)により見積もった。これらの立体構造を用いてAz_<ox>-Cyt_<red>複合体構造最適化をZDOCKプログラムパッケージおよび独自開発プログラムで予測した。これらの座標データから3つの複合体モデルを作成した。(1)水素結合を含む静電相互作用エネルギーを最小にしたモデル。(2)疎水性相互作用エネルギー最小にした構造。(3)活性部位の電荷分布をAz_<red>-Cyt_<ox>型にしたモデル。これら3通りのモデルよるタンパク質複合体の溶液内での安定性を溶媒和自由エネルギー計算に評価した。計算した構造エネルギーに溶媒和自由エネルギー,エントロピーを加えることで新しく定義したタンパク質の自由エネルギーの計算結果は活性部位の電荷分布をAz_<red>-Cyt_<ox>型にしたモデルが最も低い値を示した。結合自由エネルギーの評価には、複合体を形成する前のAz_<ox>単体の構造とCyt_<red>単体の構造における溶媒和エネルギー,構造エネルギー,エントロピーを評価し、タンパク質複合体の自由エネルギーとの差から評価した。Az_<ox>, Cyt_<red>単体と複合体の自由エネルギーの差は-107kcal/mol、構造エネルギーの差は-47kcal/mol、エントロピーの差は31kcal/molとなった。これらの結果から結合自由エネルギーの値は-123kcal/molであることが示され、タンパク質複合体の結合自由エネルギーには溶媒和自由エネルギーが大きく寄与していることがこれらの計算結果から示された。<br />研究課題/領域番号:20038018, 研究期間(年度):2008 – 2009
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長尾, 秀実 ; Nagao, Hidemi
概要:
金沢大学自然科学研究科<br />X線構造解析により知られている酸化型アズリン(Az_<ox>)と還元型シトクロム(Cyt_<red>)の立体構造を用いてAz_<ox>-Cyt_<red>複合体構造最適化をZDOCKプログラムパッケージおよ
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び独自開発プログラムで予測した。Amber力場と活性部位付近の量子化学計算で見積もられた力場を用い、5854個のTIP5P水分子を加えた系を300K、NVTアンサンブル条件下でシミュレーションした。シミュレーションによりAz_<ox>-Cyt_<red>複合体安定構造を見いだした。ドッキングサイトは二つの部分に分けられ、いずれの部分もターン構造中にあり、水素結合で強く結合しAz_<ox>-Cyt_<red>複合体を形成していることがわかった。本研究により複合体に関わる水素結合部位が明確に示された。次にAz_<ox>-Cyt_<red>複合体ダイナミックスを考察した。会合前後でCyt_<red>タンパク質振動が大きく変わっていることが見いだせた。またドッキングサイトではAz_<ox>とCyt_<red>との協調的振動モードが現れ、タンパク質構造変化のみならず、振動主成分変化が観測された。還元型アズリン(Az_<red>)は空気中酸素により酸化され結晶化が容易ではない。Az_<red>-Cyt_<ox>複合体構造決定もまた、空気中酸素による複合体酸化が起こるため現在のところ実験で決定するのは容易ではない。そこでAz_<red>-Cyt_<ox>複合体における各活性部位付近の電荷分布を用いた構造緩和シミュレーションを行った。Amber力場と活性部位付近の量子化学計算で見積もられた力場を用い、6204個のTIP5P水分子を加えた系を300K、NVTアンサンブル条件下でシミュレーションした。構造緩和後、複合体安定構造を見いだした。Az_<red>-Cyt_<ox>複合体ドッキングサイトはAz_<ox>-Cyt_<red>複合体のものとほぼ一致していることを見いだした。またDynamical Cross Correlation MapによりAz_<red>のαヘリックスとCyt_<ox>のほぼ全体が強く動的相関を持つことが見いだされた。一般にタンパク質ターン構造部分はB因子(RMSF)が最も大きく、次にαヘリックス部分が大きい。本研究結果からターン構造部分にドッキング部位があり、AzとCytのドッキングによりターン構造部分の運動が束縛される。そしてαヘリックス部分へのエネルギー移動が示唆される。<br />研究課題/領域番号:19029014, 研究期間(年度):2007<br />出典：「タンパク質複合体構造とダイナミックスの理論的研究」研究成果報告書 課題番号19029014（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所））（https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-19029014/)を加工して作成
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三浦, 伸一 ; Miura, Shinichi
概要:
金沢大学理工研究域数物科学系<br />水分子系を念頭におき、水素結合分子集団の量子状態の計算を厳密に実行するシミュレーション手法の開発を行った。このシミュレーション手法は変分経路積分法にその基礎をおき、本研究では運動方程式を用いて計算を実
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行する分子動力学法およびハイブリットモンテカルロ法の開発を行った。またシミュレーションパラメータの探索に有用と考えられる、調和振動子系に対する解析解の導出もあわせて行った。本手法は、水素分子クラスターおよび水１分子の系に対して適用され、その有効性が明らかになった。このことにより本シミュレーション手法は水素結合分子集団に対する大いに有望な量子シミュレーション手法であることが示された。<br />A novel quantum simulation method for hydrogen bonded molecular systems has been developed. This method is based on the variational path integral method. In the present study, molecular dynamics and hybrid Monte Carlo methods have been developed for sampling on the variational path integrals. Also, analytical expressions for various quantities associated with the variational path integrals have analytically been obtained for harmonic oscillators. Our novel simulation methods have successfully been applied to hydrogen molecule clusters and a water molecule. It is demonstrated that our method is a promising quantum simulation method for hydrogen bonded molecular systems.<br />研究課題/領域番号:23550011, 研究期間(年度):2011-04-28 - 2015-03-31
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奥野, 正幸 ; Okuno, Masayuki
概要:
本研究では、珪酸塩ガラスの高圧力下でのナノ構造の変化を明らかにし、地殻下部・マントル上部におけるマグマの挙動及び隕石衝突時の構造変化についての情報を得ることを目的とし、以下のような研究を行った。 1.SiO2ガラスについて静水圧による圧縮実
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験を行い、15GPaまでの圧縮で約28%の密度増加を確認し、それが、非架橋酸素を持つSiO_4四面体の小さなリング構造(3、4員環)の増加によることを明らかにした、この密度増加は、従来の我々の研究で明らかにした衝撃圧縮での密度増加より大きい。さらに、SiO_2,にGeO_2を加えたガラスについても衝撃圧縮を行い、GeO_2成分の増加に伴い構造変化が起こる圧力が低下することを明らかにした。 2.CaSiO_3-MgSiO_3,組成ガラスの静水圧縮及び衝撃圧縮実験を行い、構造変化をX線回折法、ラマン分光法ならびに分子動力学計算によって調べた。その結果、静水圧での圧縮では7.5GPaで5%前後の密度増加が観測され、X線回折測定、ラマン分光測定ならびに分子動力学計算の結果から、SiO_4四面体の3,4員環の増加が密度増加に寄与していることが明らかとなった。他方、衝撃圧縮では、これらのガラスは殆ど密度増加を示さず、衝撃圧縮ではSiO_4四面体の3,4員環が生成せず圧力の開放とともに構造緩和が起こり密度が変化しなかったと考えられる。 3.オパール試料について、38GPaまでの衝撃実験を行い、そのナノ構造の変化を明らかにした。その結果、オパールは20-30GPaの圧縮で約10%密度が増加し、より高圧では再び密度が減少することを見出した。X線測定の結果から、衝撃圧縮により結晶様の構造が失われ無秩序構造に変化することを明らかにした。 4.上記の研究の多くは、国内学会をはじめ2006年には国際鉱物学連合(IMA)で発表し、学術論文などとして公表した。<br />In order to obtain information for magma at lower crust and upper mantle regions and structural changes of glass materials by meteorite impacts, the following studies for the nano-structure change of silicate glass under high pressure condition were carried out.1. SiO_2 glass was compressed under static high pressure up 15 GPa, about 28% of density increase was observed. It was concluded that formations of 3,4 membered rings of SiO_4 tetrahedrons with non bridging oxygen are responsible for the density increase. SiO_2-GeO_2 glasses were also compressed by shock experiments. Increase of GeO_2 component accelerates their structure change.2. The structures changes of CaSiO_3-MgSiO_3 glasses compressed by static and shock compression were investigated by X-ray diffraction measurements, Raman spectroscopy and Molecular dynamics calculations. About 5% of density increase by static compression of 7.5 GPa was observed. Ii is suggested that this density increase caused by the formations of 3,4 membered rings of SiO_4 tetrahedrons. On the other hand, Almost no density increases were observed for shock compressed CaSiO_3-MgSiO_3 glasses. This fact may indicate that 3,4 membered rings of SiO_4 tetrahedrons may not be formed by shock compression and compressed structure was relaxed by pressure release and subsequent temperature increase.3. Structural change of opal nano-structure by shock compression was investigated. About 10% of density increase of opal at 20-30 GPa and density decrease at higher pressure. By X-ray diffraction measurements, the crystalline part of opal was change to amorphous state by shock. By IR spectroscopy, OH of opal decrease and frequency of OH band changed toward higher wavenumver were investigated.4. The results of these studies were presented at National and International Meetings such as IMA and also published as scientific papers.<br />研究課題/領域番号:15340185, 研究期間(年度):2003–2006<br />出典：「珪酸塩ガラスの静的及び動的圧縮によるナノ構造と物性の変化」研究成果報告書 課題番号15340185 (KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）) 本文データは著者版報告書より作成
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下川, 智嗣 ; Simokawa, Tomotsugu
概要:
ナノ結晶や非晶質ポリマー等の様々な構造の固体材料が示す類似した速度に依存する変形・破壊モードの遷移現象を,各原子・分子構造に基づいて理解することを目的とすし,分子動力学法を用いた計算機実験を行なった.その結果,格子欠陥や分子鎖形状の局所的な
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形態変化(例えば,面欠陥と線欠陥の形態変化)に対する容易さが,局所塑性変形の発生や伝ぱに強く関係していることを解明した.<br />In order to elucidate the transition mechanism from homogeneous to inhomogeneous of deformation and fracture modes related to the strain rate and temperature in nano structured materials, we perform deformation tests for nanocrystal and polymer models using molecular dynamics simulations. It can be concluded that the difficulties for structural transitions of local lattice defects, e.g., structural changes from line defects to plane defects, strongly affect the generation of local plastic deformations and its propagations.
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炭竈, 享司 ; Sumikama, Takashi
概要:
金沢大学新学術創成研究機構ナノ生命科学研究所<br />細胞はイオンチャネルを通る選択的イオン透過を利用して電気シグナルを生成する。そのため、イオンチャネルを通るイオンの選択性と透過は生命にとって必須である。本研究では、このイオン選択性とイ
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オン透過の関係を調べることを目的とした。Punch through法による電流計測は、イオン種によって電流－電圧曲線の線形が異なることを示唆している。この違いを説明するため、分子動力学シミュレーションにより、モデルチャネルを通る電流－電圧曲線の線形とイオン透過の律速段階の関係について解明した。カリウムチャネルを通るナトリウムの電流－電圧曲線は優線形と予想され、これは低電位でのカリウム選択性に寄与すると考えられる。<br />Ion selectivity and ion transports through ion channels are essential for life: Living cells generate electrical signals by utilizing selective ion permeation through channels. The aim of this study is to reveal the relationship between ion selectivity and ion permeation. The electrophysiological measurement employing the punch through method implies that the shape of the current-voltage (i-V) curve differs among ion species. In order to explain this difference, the relationship between the shape of i-V curve and the rate-determining step of ion permeation was analyzed by using the molecular dynamics simulation. The shape of the i-V curve of sodium ions through the potassium channel was predicted to be superlinear, which is considered to contribute to the selectivity for potassium over sodium at low voltage.<br />研究課題/領域番号:26870232, 研究期間(年度):2014-04-01 - 2016-03-31
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齋藤, 大明 ; Saito, Hiroaki
概要:
様々な脂質膜環境におけるペプチドおよび膜タンパク質の動的構造の解析，膜内安定性，イオン・分子透過性の評価を分子動力学シミュレーションと自由エネルギー計算により評価した．計算対象には代表的な抗菌性ペプチドであるグラミシジンAを用い，数種類の脂
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質膜における分子シミュレーションと自由エネルギー評価（膜内安定性）から，膜選択性機構に言及した．ペプチド－脂質膜間の相互作用特性の内訳（水和・静電・疎水性相互作用）を査察・解析・比較することにより，ペプチドの膜選択性に寄与する相互作用の詳細を解析した．<br />We have carried out molecular dynamics simulations to analysis the structure and dynamics of peptide and membrane protein in several lipid bilayer environments and have investigated the ion and molecular permeability through the channel of membrane protein. The thermal stability of membrane protein in the lipid bilayers has also been investigated by free energy calculation.<br />研究課題/領域番号:23750008, 研究期間(年度):2011-2013
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下川, 智嗣 ; Shimokawa, Tomotsugu
概要:
金沢大学理工研究域機械工学系<br />本研究は，構造用材料の更なる高信頼性化に向けて，未解決問題である「変形素過程の協働的・連鎖的な集団運動と機械的性質の関係の解明」に挑んだ研究である．これまでのボトルネックであった集団運動の定量化は，固
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体塑性の集団運動を反映する固体材料に内在する普遍的な統計的性質に着目した．本研究では，分子動力学計算を用いて，(1)様々な構造や組織（合金，多結晶，非晶質）の固体材料に対する統計的性質の探求を行い，(2)その統計的性質を特徴付けるパラメーターと強度と延性の機械的性質の関係の系統的な調査を行い，(3)集団運動と機械的性質の関係に関係性があることを明らかにした．<br />The present study challenges the unsolved problem of "elucidation of the relationship between the mechanical properties and the collective motion of elementally deformation processes" for the further improvement of the reliability of structural materials. The quantification of collective motion, which has been a bottleneck in the past, focuses on the universal statistical properties inherent in solid materials that reflect the collective motion of solid plasticity. In this study, molecular dynamics calculations were used to explore the statistical properties of solid materials of various structures (crystal structures, amorphous structures, and mixed structures) and systematically investigate the relationship between the parameters that characterize these statistical properties and the mechanical properties of strength and ductility. Finally, we found the relationship between collective motion and mechanical properties.<br />研究課題/領域番号:17K06049, 研究期間(年度):2017-04-01 - 2020-03-31<br />出典：「集団運動を反映する普遍的な統計的性質を用いた固体材料の機械的性質の統一的理解」研究成果報告書 課題番号17K06049（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所））（https://kaken.nii.ac.jp/report/KAKENHI-PROJECT-17K06049/17K06049seika/)を加工して作成
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炭竈, 享司 ; Sumikama, Takashi
概要:
金沢大学新学術創成研究機構ナノ生命科学研究所<br />生合成されたイオンチャネルの単量体がいかに細胞膜に取り込まれ、その後、多量体を形成して機能できるようになるかは未だに解明されていない。本研究では、分子動力学法を用いたシミュレーションに
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より、それらの過程を観察し解明することを目的とした。その結果、最小のチャネルの一つであるポリセオナミドBが細胞膜に突き刺さる過程を分子レベルから解明することに成功した。多量体の形成機構については研究を進めることは出来なかったが、近年提案されているelectronic continuum correction法がより正確にイオンとタンパク質、脂質分子の相互作用を記述するには不可欠であることを確認できた。<br />The insertion process of monomers of ion channels to membranes and the mechanism of eventual multimeric formation of them are still unknown. In this study, we aimed to reveal them by using the molecular dynamics simulation. The insertion process of the polytheonamide B, one of the smallest ion channel, was clarified at the molecular level. Though the multimeric formation mechanism was not investigated, it was confirmed that the recently suggested electronic continuum correction is significant for precisely describing ion-protein and ion-lipid interaction.<br />研究課題/領域番号:17K17768, 研究期間(年度):2017-04-01 - 2020-03-31<br />出典：「イオンチャネルの多量体化の機構の解明とその生理的意義」研究成果報告書 課題番号17K17768（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17K17768/）を加工して作成
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