杉田 有治（理化学研究所）, 森 貴治（理化学研究所）
スーパーコンピュータ「京」によって従来は不可能であった大規模な生体分子系（細胞質、ウィルス、ヌクレオソーム・クロマチンなど）の計算機シミュレーションが可能になった。さらに次世代のスーパーコンピュータなどを利用することによりシミュレーションで解析可能な時空間は拡大し、様々な計測と直接比較することが容易になる。今回のWS では国内外の著名な研究者を招待し、大規模な分子動力学シミュレーションにより細胞環境における蛋白質間相互作用や蛋白質・DNA 相互作用についてどのような新しい知見が明らかになってきたか紹介する。また、今後どのような理論・実験の連携が必要であるかを議論したい。
（講演者）
Charles L. Brooks III (Univ. of Michigan)
"Exploring free energy landscapes in pH, chemical and sequence spaces"
Giovanni Bruno Brandani、Shoji Takada (京大院・理学研究科)
"Insights into nucleosome dynamics from coarse-grained simulations"
Michael Feig (Michigan State Univ.)
"Crowding in the cellular context: Tales of Clusters and Dynamics"
徐 相宰 (Sangjae Seo)、Huihui Liu、篠田 渉（名大院・工学研究科)
"Coarse-grained molecular dynamics study for protein-lipid complexes"
Wonpil Im (Lehigh Univ.)
"Bacterial Outer Membranes and Interactions with Membrane Proteins"
杉田 有治 （理研）
"Protein-protein and protein-ligand interaction in cellular environments"
杉田 有治(理化学研究所)、山本 雅貴(理化学研究所)、栗栖 源嗣(大阪大学)
（講演者）
9月26日(水）
関根 俊一（理研 BDR）
"RNAポリメラーゼIIによるクロマチン転写のメカニズム"
川本 晃大（阪大・蛋白研）
"クライオ電子顕微鏡を用いたタンパク質の動的機能構造解析"
Radostin Danev（東大・院医）
"Cryo-EM with and without phase plates"
平田 邦生（理研 RSC）
"回折データの量的変化がもたらした構造情報の質的変化 ∼自動データ収集の現状∼"
山下 栄樹（阪大・蛋白研）
"核外輸送タンパク質Exportin-5による積荷分子の選択的結合のための構造基盤"
胡桃坂 仁志（東大・定量研）
"動的構造生物学によるクロマチン機能解析"
高田 彰二（京大・院理）
"ヌクレオソームと転写制御の動構造：分子シミュレーションによるアプローチ"
Gert-Jan Bekker（阪大・蛋白研）
"Flexible docking and affinity calculation between CDK2 and its inhibitor using multicanonical MD"
森 貴治（理研）
"クライオ電顕フィッティングによる大規模生体分子系の構造精密化"
原田 慶恵（阪大・蛋白研）
"NVセンターの生命科学計測への適用"
9月27日(木）
木川 隆則（理研 BDR）
"NMRによる細胞環境におけるタンパク質の構造動態解析"
宮ノ入 洋平（阪大・蛋白研）
"SAIL-NMR法による高分子量蛋白質の動態解析法の開発"
田巻 初（阪大・蛋白研）
"固体NMR実験データと立体構造予測法を融合したタンパク質立体構造解析"
岡田 康志（理研 BDR・東大院理）
"キネシンの結合による微小管の動的構造変化"
古寺 哲幸（金沢大・WPIナノ生命科学）
"高速AFMと計算科学の融合の試み"
久保 稔（兵県大・院生命理）
"SACLA時分割構造解析の展望と課題"
栗栖 源嗣（阪大・蛋白研）
"フェレドキシンの関与した動的電子伝達複合体の構造地図"
阿部 一啓（名大・細胞生理）
"胃プロトンポンプの結晶構造によって明らかになったH+排出機構"
杉田 有治(理化学研究所)、津本 浩平(東京大学)
Understanding of protein-protein interactions in cellular environments is one of the essential research issues in biophysics. To understand them, not only X-ray structures of macromolecules but also various experimental and computational methods are necessary. In particular, recent advance of computer simulations allows us to simulate multiple proteins, nucleic acids, and metabolites simultaneously. We discuss about how to combine those computational studies with experimental measurements.
（講演者）
Yuji Sugita (RIKEN)
"Specific and non-specific protein-protein interactions in cellular environments"
Sanbo Qin, Huan-Xiang Zhou (Florida State University)
"Atomistic modeling of protein liquid-liquid phase separation."
Michael Feig (MSU, QBiC)
"Nonspecific protein-protein interactions in dense protein solutions and near membranes"
森 博幸、坂下 宗平、伊藤 淳、石井 英治、秋山 芳展（京大 ウィルス・再生研)
「網羅的変異解析によるVemP翻訳伸長停止モチーフの同定と解析」
城 宜嗣(兵庫県立大学大学院生命理学研究科)
「細胞内での一酸化窒素の動態」
柳澤 実穂（東京農工大学）、優 乙石（理研）
Biopolymers such as proteins are present in very high concentrations in cells, which greatly affect the dynamics, structure, and function of them. Although these effects, so-called "macromolecular crowding" has been attracting attention, molecular-level mechanisms are still unknown due to its complexity. At this symposium, we focus on the characteristics of the cellular environment and/or cell-mimicking conditions dominated by macromolecular crowding. Combining experimental, theoretical, and computational approaches, we discuss the influence of macromolecular crowding on diffusion, structural stability, and biological reactivity of DNA or proteins.
（講演者）
柳澤 実穂（東京農工大学大学院工学研究科先端物理工学部門）
「はじめに：高分子混雑の世界」
山本 条太郎（北大・院先端生命）
「回転および並進拡散計測による細胞内分子クラウディング状態の評価」
藤原 慶（慶應大・生命情報）
「混雑化で生み出される人工細胞内のMinシステム反応拡散波」
Murayama, Yoshihiro（Tokyo Univ. of Agri. and Tech.）
"Brownian motion in dense DNA solutions"
秋元 琢磨（東京理科大学理工学部物理学科）
「不均一な環境下での異常拡散」
岡村 英保1, 木川 隆則1,2（1理研 生命システム研究センター, 2東工大 情報理工学院）
「高分子混雑環境下での蛋白質NMR緩和解析」
優 乙石1,2, ワン ポーホン2, ファイグ マイケル3, 杉田 有治1,2（1理研 iTHES, 2理研 杉田理論分子科学研究室, 3ミシガ
ン州立大）
「細胞混雑中の蛋白質と代謝物のダイナミクス：全原子分子動力学法による理論的研究」
金 鋼 (大阪大学)、八木 清 (理化学研究所)、森 俊文 (分子科学研究所)
公式案内サイト
近年、分子科学の興味は、単純な分子から複雑な分子系、フェムト秒の化学反応からミリ秒の構造変化までを包含し、時間・空間階層の異なる現象の解明が目標となりつつある。これらの系では、直接的な分子間相互作用のみならず、溶媒やタンパク質を介した有効相互作用によって「柔らかく」繋がった分子の集団運動が、分子機能や巨視的な物性を生み出している。本ワークショップでは、化学・生物・物理・情報と分子理論の交差領域で最先端の研究を進めている新進気鋭の若手研究者を集め、既存の分子理論を超える「柔らかな分子系」の理論を考察するとともに、それが切り拓く未来の展望を議論する。
（講演者）
畑中 美穂 (奈良先端科学技術大学院大学)
「柔らかな不斉触媒系における立体選択性発現機構の解明」
甲田 信一 (分子科学研究所)
「時計タンパク質概日リズムの理論研究：ピコ秒から24時の時間階層」
中農 浩史 (京都大学)
「電極‐電解質界面における電子移動の微視的理解：新規第一原理計算手法の開発」
城塚 達也 (東北大学)
「分子シミュレーションによる界面分光理論の発展」
原田 隆平 (筑波大学)
「生物学的レアイベントを再現/予測する効率的構造サンプリング手法の開発」
松永 康佑 (理化学研究所)
「機械学習を用いた1分子計測とシミュレーションの統合とタンパク質動態解析」
（講演者）
杉田有治（理研）
「分子モーター研究の最前線（イントロダクション）」
阿部一啓（名大・細胞生理）
「胃プロトンポンプの構造生理学」
中山洋平（中大・理工）
「一分子観察で探るF1-ATPaseのエネルギー入出力」
難波啓一（阪大・生命機能）
「生体超分子モーターの高効率なエネルギー変換のメカニズム」
北尾彰朗（東大・分生研）
「分子シミュレーションによる細菌べん毛モーターの分子機構」
西坂崇之（学習院大学・物理）
「アーキアラとIV型線毛のモーターの動態を可視化する」
杉田 有治(理化学研究所), 八木 清 (理化学研究所)
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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。
杉田 有治(理化学研究所), 伊藤 隆(首都大学東京)
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」
杉田 有治(理化学研究所), 森 貴治 (理化学研究所)
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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"
杉田 有治(理化学研究所), 岡本 祐幸 (名古屋大学)
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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.
杉田 有治(理化学研究所), 高田 彰二(京都大学), 高橋 恒一(理化学研究所), Michael Feig (ミシガン州立大学)
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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.
杉田 有治(理化学研究所),高橋 恒一(理化学研究所)
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」
池口 満徳（横浜市立大）、杉田 有治（理研）
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」
山口 芳樹 (理研), 杉田 有治 (理研), 李 秀栄（理研）
理化学研究所公式案内サイト
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」
木寺 詔紀 (横市大), 杉田 有治 (理研)
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」
