京コンピュータを用いた小児マヒウイルスの全原子分子動力学シミュレーション
名古屋大学大学院工学研究科

岡崎 進

２０１５．１．２２ 名工大分子動力学シミュレーション
ニュートンの運動方程式（微分方程式）
Fi (t )= - dV(rN)/dri=miai(t ) = mid2ri(t )/dt2
自由度の数だけの連立微分方程式
N = 3×103 ～ 107
数値解
t 2ri (t  t )  ri (t )  tvi (t ) Fi (t )  O(t 4 )2mivi (t  t )  vi (t ) t Fi (t  t )  Fi (t )mi2⊿t ~ 1 fs (10-15s)

光が3 mm 進む時間

実験からは観察不可能な分子ひとつひとつの運動を追跡する
分子集団系をスーパーコンピュータで観察する

「京」コンピュータ

SPARC64 VIIIfx

・約８万ノード、６４万コア・理論ピーク性能 １０Ｐｆｌｏｐｓ

MODYLASの開発（４）1,000万原子系

高並列汎用分子動力学シミュレーションソフト
Ncore
1000

10000

1000001000000
10000

1000

1000

1001001010

110.1

100

1000

10000

65,536ノード（524,288コア）並列acceleration

T / ms10000

0.1100000

Nnode

ストロングスケーリングの測定
PYP
512個
水
3,005,952個
イオン
2,560個長距離相互作用ＦＭＭによる厳密計算

計 9,999,872原子1,000万原子系に対して

5 ms/step
5 msで1,000万個の原子の間に働く力を計算して、3,000万個の連立微分方程式を解く

・公開済み
・入出力

http://www.modylas.org/
VMD連携（1,000万原子系）

Andoh et al., JCTC 9, 3201(2013)

MODYLASの開発（５）Long-ranged interaction
・ Ewald, PME, and FMM

実用的な汎用ソフト・京コンピュータ
・ＦＸ１０
・ＰＣクラスター

Ensemble・ NVE, NVT(Nose-Hoover),
NPT（Andersen）, NPT(Parrinello-Rahman）
Constraint
・ SHAKE/ROLL and RATTLE/ROLLTime evolution
・ RESPA・multi time step

公開済み

http://www.modylas.org/

入力ツール
Free energy
・thermodynamic integration
・NANO-IGNITION・VMD連携Force field
・CHARMM, OPLSAA, and AMBER

グループの研究
生体物質
ソフトマテリアル

ミセル、脂質膜、タンパク質、高分子、ウイルス、界面構造形成と機能発現
集団の分子機能ウイルスカプシド

水中の両親媒性分子・水素結合・疎水性相互作用・弱い相互作用
・半秩序／弱秩序
・大きな熱ゆらぎ

脂質膜、細胞膜（安藤）

ミセルの生成（吉井）粗視化シミュレーション （篠田）高分子粘着剤（日東電工）

可溶化（吉井、藤本）

薬効と副作用（大日本住友製薬）

メタンハイドレート
（岡山大）

ウイルス

物質と生命の境界■構造・遺伝子であるDNAやRNAが、タンパク質で出来た殻（カプシド）の中に収められている物質。
・宿主細胞の細胞膜（エンベロープ）で包まれたものもある。

■営み
・宿主となる生物細胞を利用して自己複製を行う。
細胞膜表面にあるレセプターと結合（感染）⇒侵入⇒増殖⇒発芽
小児マヒウイルス(径30nm）

ウイルス感染

カプシド

レセプター

宿主細胞
核

ssRNA
インフルエンザウイルス エンベロープ（径150nm）
http://ja.wikipedia.org/wiki/急性灰白髄炎

ウイルス
核

http://web.uct.ac.za/depts/mmi/stannard/fluvirus.html

表面タンパク質・口蹄疫ウイルス・ノロウイルス・Ａ型肝炎ウイルス・コクサッキーウイルス（手足口病）
・ヒトパピローマウイルス（子宮頚がん）・ＨＩＶウイルス
・Ｂ型肝炎ウイルス・風疹ウイルス

ウイルスカプシド
VP1

VP2

VP3

VP4

“Medical Virology”,
edited by D. O. White and
F. Fenner, Academic Press

VP1～VP4まで各６０個、計２４０個のカプシドタンパク質で構成
正二十面体構造小児マヒウイルス
口蹄疫ウイルス

水を含めて約１０００万原子で構成することができる• ピコルナ科等のウイルスはカプシドタンパク質とssRNAだけで構成される• ssRNAウイルスは溶液中で外部エネルギーの助けを借りず自己組織化される• RNAを収容したカプシドは安定であり、ゲノムを外部環境から守る。
• レセプターを認識、結合して感染する。一方で、抗体に認識され、食される。

・カプシドを分子レベルでみるとどのようなものか？
・微視的な振る舞いが巨視的な機能をどのように実現しているか？

Empty capsid
ゲノムを持たない空のカプシド
・自然界で生成される
・recombinant techniquesで人工的にも合成可・レセプターに認識され、細胞中に侵入。脱殻・RNAを持たないので病因とはならない一方で、免疫ができる・RNAを含む完全なcapsidと比較して不安定なぜか？ そのメカニズムは？
完全なウイルス Empty capsid

薬剤の導入

安定な人工カプシドの分子設計へ
・理想的なワクチン・高選択性ＤＤＳキャリヤ－

ウイルスカプシドの分子科学
ウイルスカプシドの構造安定性とダイナミックス
・安定な構造の仕組み
・環境と構造安定性

カプシドタンパク質の自発的な会合、ＲＮＡの収容、脱殻
温度、圧力、ｐＨ、乾燥、化学薬品、電解質濃度・理想的なワクチンとしての応用
・ＤＤＳキャリヤーとしての応用

安定な人工カプシド
empty capsid

感染初期過程の分子機構
・レセプターとウイルスの特異な相互作用・レセプターと結合後のカプシドの構造変化

力の大きさ、起源、induced fit
脱殻、ポケットファクター

・カプシドに注目した新しい作用原理を持つ抗ウイルス剤
・結合を阻害する分子・構造変化を阻害する分子
transferrin receptor 1

CD155

研究体制

実験研究者、計算機科学研究者との共同作業

課題代表者（名大院工） 岡崎 進

全体統括

研究分担者
（名大院工） 吉井範行 シミュレーション統括（ＣＮＲＳ）
山田篤志 シミュレーション、解析（名大院工） 安藤嘉倫 MODYLAS開発統括（名大院工） 藤本和士 シミュレーション、解析（名大院工） 水口朋子 シミュレーション、解析（名大院工） 小嶋秀和 シミュレーション、解析（名大院工） 水谷圭佑 シミュレーション、解析（名大院工） 遠藤裕太 シミュレーション、解析
実験科学（阪大蛋白研） 中川敦史
（微生物化研） 野本明男
（名市大院医） 田中靖人
（名大院医）
石川哲也（名市大院医） 尾曲克己

構造生物学
ウイルス学
消化器内科
消化器内科
生物物理

研究協力者 計算科学
生物物理
（阪大蛋白研） 中村春木
タンパク質解析（金沢大計算） 長尾秀実
（金沢大計算） 川口一朋
MODYLAS開発 計算機科学（慶応大院工） 泰岡顕治
（電通大情報） 成見 哲
（九州工大） 入佐正幸

計算機科学
MODYLAS共同開発者、協力者
（理研）
南 一生
（富士通） 市川真一、小松秀美、
石附 茂、武田康宏、
福島正雄（分子研） 岩橋建輔、水谷文保

分子動力学計算
Empty capsid
ＶＰ１、ＶＰ２，ＶＰ３，ＶＰ４ 各６０
スフィンゴシン
６０
Ｈ ２Ｏ
１、８８４、２１８Ｎａ＋
５，３１０
Ｋ＋
１３６
Ｃｌ－
５、２０６
６、４８０、２３６原子ＮＰＴアンサンブル
Ｐ＝１ａｔｍ、Ｔ＝３１０．１５ Ｋ
ＳＨＡＫＥ／ＲＡＴＴＬＥ／ＲＯＬＬ
ＣＨＡＲＭ２２ ｗｉｔｈ ＣＭＡＰ
ＬＪ １２ Å ｃｕｔ ｏｆｆ
クーロン ＦＭＭ

ＰＤＢ １ＨＸＳ
ｐＨ ７．４正電荷負電荷ｔ＝０．５ ｆｓ／２ ｆｓ／４ ｆｓ
２００ ｎｓ

４、８６０
５，１００

平均の熱ゆらぎ

実験との対応
X線測定からの温度因子 B
RMSFX-ray = (3B/8p2)1/2

シミュレーション
310 K

実験
10 K

residue numberカプシドの力学的性質
・低温の結晶と比較して約３Å膨張・小さな半径ゆらぎ
等温圧縮率
ウイルス
30×10-6 atm-1
電解質水溶液 70×10-6 atm-1
・水より２倍以上固い
102nsオーダーの時定数

静水圧に対しては変形が小さい、固い水の移動、交換（１）水分子の積算移動数: 外から中へ: 中から外へ

1 nsに約8個カプシドを横切る水のストロボショット。３回回転対称軸

１．水の交換は熱平衡状態にあり、速度は極めて速い→ 水の化学ポテンシャルは、中と外とで等しくなっている

２．カプシドはイオンを透過させない→ カプシドは半透膜として機能する

水の移動、交換（２）３回回転対称軸に沿った経路
回転対称軸が経路５回

３回

２回

23%

56%

21%

溶液の密度外側の溶液
0.033332 Å-3内側の溶液

0.033272 Å-3

カプシド内部の溶液密度は、外側の溶液密度より低い
それでは圧力はどうなっているか？

r / nmr負の圧力（１）0.03336

外側0.03334

内側r / Å-30.03332

0.033332 Å-36 atm

0.03330
0.03328
0.03326

0.033272 Å-30.03324- 28 atm

0.03322−50−40−30−20−1001020P / atm

バルク溶液に対する
圧力－密度検量線

カプシド内部の溶液の圧力は外側の溶液の圧力より低く、負の値を持っている
これは本当か？

H 2O
Ｎａ＋
Ｋ＋
Ｃｌ－

内側
２０，０００５２
１５３

外側
H2O ２０，０００
Ｎａ＋
５４＋
Ｋ
２
－Ｃｌ５６

負の圧力（２）ビリアル定理からの局所圧力の計算
N kT
1 N NP 
rij FijV
3V i j i
( ri V )Z. S. Basinski, M. S. Duesbery, R. Taylor,Can. J. Phys. 49, 2160(1971)

外側
内側- 34 atm

圧力・応力分布負の圧力（３）
木質中の維管束P. F. Scholander et al. Science 148, 339(1965)

極めて細い毛細管
親水性表面
気泡成長の臨界サイズよりも小さな空間

直径 50 ~ 400 nm

負の圧力（４）
負の圧力はカプシド内部は• 熱力学的には不安定状態であり
直径約 20 nmの微小な空間• バルクでは存在できない• しかしながら、臨界サイズよりも小さな空間では存在し得る• 小さな空間で相分離するよりは、負の圧力のままでいた方が安定• しかしながら、あくまで不安定

マイナス数十気圧の圧力に対する臨界サイズは概ね 100 nm

負の圧力の起源• 界面張力→ 必ず正の圧力• 電解質溶液のエントロピー的な圧力 → 必ず正の圧力• カプシドとの相互作用→ 負になり得る斥力 – 正の圧力引力 – 負の圧力

大気圧- 3MPaカプシドの復元力と釣り合っている

破壊限界以下ＲＮＡによる安定化
７５００個の核酸約２０％の体積占有率→ カウンターイオンからの寄与だけで約５０ａｔｍの圧力（浸透圧）増加
van’t Hoffの式で概算

３０ ａｔｍの負圧を打ち消して正圧に→ 安定化
Empty capsid自身はあまり安定でないが、RNAを収容すると安定となるような場を構成
ＡＴＰのエネルギーを必要としないＲＮＡの収容、カプシドタンパク質の自発的な会合、脱殻感染の初期過程

ＣＤ１５５との結合レセプター(CD155)-240e

D1: -2e

キャニオン

D1

D2 (D3)

pH=7.4(細胞膜)事実としてウイルスとレセプターは結合する→ 引力相互作用

カプシド - レセプター間静電相互作用
静電場
20 Å

真空中

負電荷に対して
赤：斥力場
青：引力場

30 Å

電解液の存在下CD155との相互作用
真空中

30 Å

電解液の存在下では？
c.f.
Torrie and Valleau(1980)
コロイド間の引力相互作用
電解液による電場の逆転Ｂ型肝炎ウイルス ＨＢＶ・正二十面体構造・小児マヒウイルスとほぼ同じ大きさ

entecavir

・３回回転対称軸・１５Å

抗ウイルス剤・逆転写酵素阻害剤
・カプシド中で作用
・耐性菌
・新薬開発
・カプシドの透過

透過の自由エネルギープロフィール

共同研究者

吉井範行
安藤嘉倫
藤本和士
水口朋子
小嶋秀和
山田篤志
水谷圭佑
遠藤裕太

野本明男（微生物化研）
中川敦史（阪大蛋白研）
田中靖人（名市大院医）
石川哲也（名大院医）
尾曲克己（名市大院医）

動画作成
入佐正幸（九工大情報）
福留拓也（九工大情報）