がんの勉強部屋☆
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生体分子の構造変化を解析・予測
生体分子の大きな構造変化を詳細に解析・予測する理論(ペプカ)を開発
- 生体分子機能を原子の相互作用から詳細に理解 -

◇ポイント◇ 
●原子の位置ではなく相互作用のエネルギーを用いて主成分分析
●分子の構造変化に重要な相互作用の体系的な同定が可能に
●将来的には、予測に基づく分子機能の制御による薬剤開発へ貢献


 独立行政法人理化学研究所(野依良治理事長)は、生体分子の相互作用のエネルギー(ポテンシャルエネルギー)の解析を行うことで、従来困難だった生体分子の大きな構造変化を同定し、予測する理論の開発に成功しました。この理論が大規模生体分子動力学シミュレーションに展開されると、構造変化の予測に基づいた分子機能の制御による薬剤開発が可能になると考えられます。理研発生・再生科学総合研究センター(竹市雅俊センター長)システムバイオロジー研究チームの上田泰己チームリーダー、小山洋平研修生と国立大学法人東京大学(小宮山宏総長)生産技術研究所の小林徹也講師、東京大学総合文化研究科の友田修司教授との共同研究の成果です。
 タンパク質やDNAなどの生命を構成している生体分子は、その構造を変化させることで機能を発揮しています。このような構造変化を取り扱うために、生体分子の個々の原子同士の相互作用を計算し生体分子全体の働きを解明する「分子動力学シミュレーション」が幅広く用いられています。しかし、従来の分子を構成する原子の位置(原子座標)を用いたシミュレーション結果の解析手法「主成分分析(PCA)※1」では、複数の構造の間で構造を変化させて機能を発揮するような生体分子の構造変化を同定し、予測することが困難でした。そこで、研究グループは、従来の原子座標を用いた主成分分析を拡張し、任意の物理量(原子座標の関数)に対する主成分分析が、分子の最も大きな構造変化を引き起こす摂動(刺激)を探す手法として解釈できることを明らかにしました。この一般的な枠組みに基づいて、従来の原子座標を用いた主成分分析の問題点を解決するために、物理量として相互作用のエネルギー(ポテンシャルエネルギー)を用いた主成分分析を開発し、「ペプカ:ポテンシャルエネルギー主成分分析(PEPCA:Potential Energy PCA)」と名付けました。PEPCAを2つの安定状態を持つモデル分子に対して適用したところ、2つの安定状態とその間の遷移状態、およびそれらの構造に重要な静電相互作用を体系的に同定することに成功し、有効性を実証することができました。
 今後、タンパク質などのより大きな生体分子の長時間分子動力学シミュレーションの結果に、PEPCAを適用すると、分子機能の原子レベルからの詳細な理解へとつながると考えられます。
 本研究成果は、『Physical Review E』のオンライン版(10月7日付け)に掲載されました。

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