•全原子モデル：配列設計モデルでは設計できないDNAオリガミ構造の設計を可能に
•全原子動力学シミュレーション：設計モデルと実験観測画像のギャップの解明
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分子ロボット部品モデリング
分子ロボット部品モデリング
分子人工筋肉プロジェクトでは、微小管、分子モータおよびDNAオリガミで動作する分子人工筋肉の開発を目指しました。本プロジェクトの一環として、分子ロボットの分子部品設計を支援するために東京工業大学・産総研チームはDNAオリガミおよび微小管構造の全原子モデリングならびにVRや分子動力学(MD)を用いた分子シミュレーションに取り組みました。
微小管集団運動シミュレーション
VR実時間可視化シミュレーション
VR空間で生体分子に触れることができるインテラクティブシステム
VR用高性能触覚レンダリングデバイスの開発
DNAオリガミ45万全原子MDシミュレーション
無毒性微小管安定化分子の設計
Blenderを用いた生体分子モデリング
リポソーム全原子MDシミュレーション
微小管集団運動シミュレーション
ガラス表面上に固定されたキネシンモーター分子の上を滑走する微小管集団運動を実時間で可視化するVRシミュレーションシステムを開発し、実験と同様に、並進する微小管の量により集団運動（渦巻き）の振る舞いを制御できることを示した。
Adaptation of Patterns of Motile Filaments under Dynamic Boundary Conditions, Daisuke Inoue, Greg Gutmann, Takahiro Nitta, Arif Md. Rashedul Kabir, Akihiko Konagaya, Kiyotaka Tokuraku, Kazuki Sada, Henry Hess, and Akira Kakugo, ACS Nano 2019 13 (11), 12452-12460.
VR実時間可視化シミュレーション
GPU computingを駆使することにより、実時間でシミュレーションと可視化を行うVRシミュレーションシステムを構築し、その有用性を微小管滑走運動の再現で実証した。
Gutmann, G., Inoue, D., Kakugo, A. et al. Parallel Interaction Detection Algorithms for a Particle-based Live Controlled Real-time Microtubule Gliding Simulation System Accelerated by GPGPU. New Gener. Comput. 35, 157–180 (2017).
https://doi.org/10.1007/s00354-017-0011-5
VR空間で生体分子に触れることができる実時間可視化システム
生体分子を手で触れて、その動的振る舞いを体験できるVR実時間可視化システムを開発しました。
GUTMANN Gregory, AZUMA Ryuzo, KONAGAYA Akihiko, A Virtual Reality Computational Platform Dedicated for the Emergence of Global Dynamics in a Massive Swarm of Objects, Journal of the Imaging Society of Japan, Vol.57, No.6, 647-653 (2018).
VR分子モデリングのための高性能触覚レンダリングデバイスの開発
利用者がVR空間上の分子オブジェクトを触った際の抵抗感をリアルタイムに伝えるために手袋型の触覚フィードバック（ハプティクス）デバイスを開発しました。
Arif Pramudwiatmoko, Satoru Tsutoh, Gregory Gutmann, Yutaka Ueno, Akihiko Konagaya,
Artificial Life and Robotics, Vol. 24, No. 4, pp. 542–549 (2019).
10.1007/s10015-019-00555-9
Pramudwiatmoko Arif, Gutmann Gregory, Ueno Yutaka, Kakugo Akira, Yamamura Masayuki, Konagaya Akihiko, Tensegrity representation of microtubule objects using unified particle objects and springs,
Chem-Bio Informatics Journal, Vol. 20 (2020).
DNAオリガミ45万全原子MDシミュレーション
独自に配列設計した「angry face DNA origami)について全原子MDシミュレーションを行い、DNAオリガミとマイカ（雲母）表面を接続する金属原子(Mg2+, Na+)の役割について考察した。
Ryuzo Azuma, Sae Kishi, Greg Gutmann, Akihiko Konagaya:
All-atom molecular dynamics of film supported flat-shaped DNA origami in water, CBIJ, 2018 Volume 18 Pages 96-118
https://doi.org/10.1273/cbij.18.96
無毒性微小管安定化分子の設計
生化学実験では利便性の観点からタキソール(paclitaxel)が微小管安定化剤として使用されている。タキソールは抗がん剤の一種であり、分子ロボットの生体利用には適さない。タキソールに代わる微小管安定化分子探索の一環として、石原司（産総研）と角五彰（北大）を中心にアルツハイマー病、筋萎縮性側索硬化症(ALS)、ハンチントン病などの神経変性疾患の薬として近年注目されているcevipabulinとpaclitaxelによる微小管運動について比較した。
Syeda Rubaiya Nasrin, Tsukasa Ishihara, Arif Md. Rashedul Kabir, Akihiko Konagaya, Kazuki Sada & Akira Kakugo, Comparison of microtubules stabilized with the anticancer drugs cevipabulin and paclitaxel, Polym J 52, 969–976 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41428-020-0334-9
共焦点顕微鏡画像を用いた微小管アスタ構造のBlenderを用いた生体分子モデリング
微小管アスター構造を共焦点顕微鏡で観察し、得られた3次元構造をBlenderを用いて再構築しました。
(関連Blenderアニメーション公開サイト)
Yutaka Ueno, Kento Matsuda, Kento Matsuda, Kaoru Katoh, Akinori Kuzuya, Akira Kakugo, Akihiko Konagaya. Modeling a Microtubule Filaments Mesh Structure from Confocal Microscopy Imaging, Micromachines 2020, 11(9), 844; https://doi.org/10.3390/mi11090844
リポソーム全原子MDシミュレーションon スパコンABCI
35,860,000原子（含水分子）からなるリポソーム全原子モデルMDシミュレーションを産総研が有するスパコンABCI上で実施し、960CPUコア/48GPUでの動作ならびに性能向上を確認した。
（未発表データ）
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