The EU-ASEAN High-Performance Computing (HPC) Virtual School 2021: System Design and HPC Applications is a hands-on virtual curriculum taught by foremost international experts in HPC technology. It is hosted by National Science and Technology Development Agency (NSTDA) Supercomputer Center (ThaiSC), Thailand.

Day 3, 09.00 – 13.00

Module 5

“Large-scale Sequence Analysis with Alignment and Phylogenetic Trees”
Dr. Sebastian Maurer-Stroh
Executive Director, Bioinformatics Institute (BII), Singapore

“Molecular Dynamics: Understanding structure-function-dynamics relationships”
Dr. Yuji Sugita
Team Leader, Computational Biophysics Research Team, RIKEN R-CCS
Dr Chigusa Kobayashi

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”

（講演者）

26日

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」

27日

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」

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」

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」

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」

The computer simulations using supercomputer like K (RIKEN AICS) plays an important role in “life science”. In this workshop, we invite domestic as well as overseas leading researchers in the field computational biophysics and biochemistry and discuss future direction. The major topics are free-energy calculations, folding and aggregations, protein-protein interactions, cellular-scale simulations, and so on. We also organize a tutorial session for young researchers and students to learn molecular dynamics software. In the tutorial, we use our in-house software GENESIS for learning basic/advanced MD, free-energy calculations based on REMD and string method. The workshop/tutorial are mainly supported by discretionary expenses of the President in RIKEN and is also positioned as a preparation for developing future software center.