「かたち」だけでは機能はわからない

生体内に存在するタンパク質や核酸をはじめとする生体分子は、常に揺らぎながらお互いに結合したり解離したりすることで機能しています。

複雑な機能を明らかにするためには、 生体分子の「うごき」を詳しく調べる必要があります。例えば、タンパク質が核酸と結合して機能する場合、両分子は互いの「かたち」を大きく変化させます。このことから、生体分子が止まっている「かたち」をじっと眺めているだけでは、機能を明らかにすることはできないことがわかります。

実験技術の発展により、生体分子の「かたち」を高い精度で決定できるようになってきましたが、生体分子の「うごき」を調べることは簡単ではありません。

分子シミュレーションで調べる

生体分子の機能に関わる重要な「うごき」を調べるうえで、分子シミュレーションは強力なアプローチです。その中でも、分子動力学シミュレーションは生体分子の「うごき」を詳しく調べることができる「計算機顕微鏡」です。

原理的には、生体分子を構成している全ての原子について運動方程式を数値的に解くことで、時々刻々変化する「うごき」を追跡できます。

1000倍以上ものギャップ

運動方程式はコンピューターを用いることで数値的に解くことができますが、計算技術的な問題から機能に関わる重要な「うごき」を抽出することは難しいことが知られています。

なぜならば、コンピューターで追跡できる時間スケールと機能に関わる重要な「うごき」が観測される時間スケールとの間に大きなギャップが存在するからです。

数値的に言うと、現状の分子動力学シミュレーションが到達できる時間スケールはマイクロ秒 (10-6秒) 程度であるのに対し、機能に関わる重要な「うごき」が観測される時間スケールはミリ秒 (10-3秒) 以上であり、1000倍以上ものギャップが存在します。

到達できる時間スケールを拡大

このように、分子動力学シミュレーションは生体分子の「うごき」を調べることができる強力なツールであるにもかかわらず、そのストロングポイントを十分に活かしきれていません。

そこで私は、この問題を解決するために分子動力学シミュレーションを改良し、到達できる時間スケールを拡大することで機能に関わる重要な「うごき」を抽出できる計算手法を新たに開発しました。