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Data-driven predictive approach for designing drug molecules with Bayesian statistics and quantum chemistry

Research Project

Project/Area Number 15H02672
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Research Field Statistical science
Research InstitutionThe Institute of Statistical Mathematics

Principal Investigator

Yoshida Ryo  統計数理研究所, データ科学研究系, 教授 (70401263)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 本郷 研太  北陸先端科学技術大学院大学, 情報社会基盤研究センター, 准教授 (60405040)
Project Period (FY) 2015-04-01 – 2019-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥16,640,000 (Direct Cost: ¥12,800,000、Indirect Cost: ¥3,840,000)
Fiscal Year 2018: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2017: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2016: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2015: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Keywords機械学習 / 量子化学計算 / 分子設計 / マテリアルズインフォマティクス / 転移学習 / ベイズ推論 / 量子化学 / 創薬 / シミュレーション / ベイズ統計
Outline of Final Research Achievements

Using Bayesian inference as a driving force technology, we have developed a machine learning algorithm for designing molecules. Given a data set from experiments or computer simulation, we derive machine learning models forwardly predicting physicochemical properties of given materials. Inverting such trained forward models through Bayes’ law, we derive a posterior distribution for the backward prediction, which is conditioned by a desired property requirement. Exploring high-probability regions of the posterior with a sequential Monte Carlo technique, molecules that exhibit the desired properties can computationally be created. We have developed open source libraries of R and Python (iQSPR, XenonPy). With this technology, we designed promising hypothetical polymers targeting to achieve high thermal conductivity, and three were selected for monomer synthesis and polymerization. The synthesized polymers reached 80% higher thermal conductivities than conventional commercial polymers.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

同技術を用いることで,任意の物性をターゲットに大量かつ高品質の候補物質のライブラリを作製できるようになった.さらに,逆合成経路探索の機械学習アルゴリズムや計算機シミュレーションとの循環システムを構築すれば,候補物質の性能検証,合成経路のプランニングまでの工程を完全に自動化できる.解析技術は汎用的であり,薬剤分子のみならず,一般の低分子化合物,高分子,混合材料等,様々な材料系に適用できる.現在,物質科学とデータ科学の融合を図るマテリアルズインフォマティクス(MI)と呼ばれる学際領域に注目が集まっている.本研究がもたらした技術と科学的発見は,分子系材料のMIの学術創生に一石を投じるものである.

Report

(5 results)
  • 2018 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2017 Annual Research Report
  • 2016 Annual Research Report
  • 2015 Annual Research Report
  • Research Products

    (33 results)

All 2019 2018 2017 2016 2015 Other

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (27 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 26 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] マテリアルズ・インフォマティクス概説2018

    • Author(s)
      吉田 亮, 山田 寛尚, Chang Liu, Zhongliang Guo, Stephen Wu
    • Journal Title

      CICSJ Bulletin

      Volume: 36 Issue: 1 Pages: 9

    • DOI

      10.11546/cicsj.36.9

    • NAID

      130007420373

    • ISSN
      0913-3747, 1347-2283
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Journal Article] Discussion on the paper by Professor Wu, "A fresh look at effect aliasing and interactions: some new wine in old bottles"2018

    • Author(s)
      Ryo Yoshida
    • Journal Title

      Annals of the Institute of Statistical Mathematics

      Volume: 70 Issue: 2 Pages: 275-278

    • DOI

      10.1007/s10463-017-0641-x

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Journal Article] Bayesian molecular design with a chemical language model2017

    • Author(s)
      Ikebata, H., Hongo, K., Isomura, T., Maezono, R., Yoshida, R.
    • Journal Title

      Journal of Computer-Aided Molecular Design

      Volume: 31 Issue: 4 Pages: 379-391

    • DOI

      10.1007/s10822-016-0008-z

    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] 物性研究におけるデータ科学活用の現状と展望2016

    • Author(s)
      吉田亮
    • Journal Title

      月刊機能材料

      Volume: 36 Pages: 23-29

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  • [Presentation] マテリアルズインフォマティクスの最前線2019

    • Author(s)
      吉田亮
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  • [Presentation] 高分子データベース・機械学習を活用した高機能高分子材料の設計及び合成2019

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      吉田亮
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      高分子学会講演会「高分子開発におけるMI・AI・計算科学からのアプローチ」
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  • [Presentation] マテリアルズインフォマティクスの現状と展望:データサイエンスの視点から2019

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      吉田亮
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      nano tech 2019
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    • Author(s)
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  • [Presentation] Accelerated Materials Discovery Powered by Machine Learning2018

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      The 12th SPSJ International Polymer Conference (IPC2018)
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  • [Presentation] Frontiers of Applied Bayesian Inference2018

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      The 10th MEI3 Center International Symposium
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  • [Presentation] Materials Informatics: State-of-the-Art and Future Perspectives2018

    • Author(s)
      Ryo Yoshida
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      6th International IBM Cloud Academy Conference 2018
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  • [Presentation] マテリアルズインフォマティクスの最前線2018

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      吉田亮
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      日本金属学会 2018 年秋期(第163回)講演大会
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  • [Presentation] Inverse design of novel polymeric materials through Bayesian machine learning and experimental design algorithms2018

    • Author(s)
      R. Yoshida
    • Organizer
      255th ACS National Meeting
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  • [Presentation] Inverse design of functional materials through computer experiments and machine learning2017

    • Author(s)
      Yoshida, R
    • Organizer
      Simulations Encounter with Data Science - Data Assimilation, Emulators, Rare Events and Design
    • Place of Presentation
      Tokyo (The Institute of Statistical Mathematics)
    • Year and Date
      2017-03-01
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    • Invited
  • [Presentation] 機械学習による物質探索と材料開発2017

    • Author(s)
      吉田亮
    • Organizer
      本表面科学会 表面科学セミナー2017
    • Place of Presentation
      東京(東京理科大学 森戸記念館)
    • Year and Date
      2017-02-09
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    • Invited
  • [Presentation] Materials Informatics: an emerging interdisciplinary field of materials science2017

    • Author(s)
      R. Yoshida
    • Organizer
      Advances in Neuroinformatics (AINI) 2017
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] データ科学がもたらす次世代のものづくり:創造的設計と製造2017

    • Author(s)
      吉田亮
    • Organizer
      第10回スーパーコンピューティング技術産業応用シンポジウム
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      2017 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] マテリアルズインフォマティクスの最前線2017

    • Author(s)
      吉田亮
    • Organizer
      サイエンティフィック・システム研究会 科学技術計算分科会 2017年度会合
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    • Invited
  • [Presentation] データ科学の先進技術がもたらす材料開発手法の革新2017

    • Author(s)
      吉田亮
    • Organizer
      第7回CSJ化学フェスタ2017
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      2017 Annual Research Report
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  • [Presentation] データ科学の先進技術がもたらす次世代の材料研究2017

    • Author(s)
      吉田亮
    • Organizer
      17-1高分子計算機科学研究会
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      2017 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 外挿的予測と発見のデータ科学:機械学習で新物質を発見する2017

    • Author(s)
      吉田亮
    • Organizer
      日本学術振興会 マイクロビームアナリシス第141委員会 第169回研究会
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    • Invited
  • [Presentation] マテリアルズインフォマティクス:物質科学におけるシミュレーションとデータ科学の融合2016

    • Author(s)
      吉田亮
    • Organizer
      理研データ同化ワークショップ
    • Place of Presentation
      神戸(理化学研究所 計算科学研究機構)
    • Year and Date
      2016-10-14
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  • [Presentation] 物質・材料科学における機械学習の先端応用:現状と展望2016

    • Author(s)
      吉田亮
    • Organizer
      第1回スーパーコンピューティング・セミナー
    • Place of Presentation
      東京(機械振興会館)
    • Year and Date
      2016-09-21
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  • [Presentation] ベイジアンアプローチに基づく情報統合型物質・材料探索2016

    • Author(s)
      吉田亮
    • Organizer
      日本応用数理学会 2016年度年会
    • Place of Presentation
      福岡(北九州国際会議場)
    • Year and Date
      2016-09-14
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    • Invited
  • [Presentation] 情報統合型物質・材料開発におけるベイジアン・アプローチの可能性2016

    • Author(s)
      吉田亮
    • Organizer
      日本学術振興会主催 第24回研究会「進化する機械学習、データマイニング、ディープラーニング」
    • Place of Presentation
      東京(東京工業大学 大岡山キャンパス)
    • Year and Date
      2016-06-10
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      2016 Annual Research Report
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  • [Presentation] ベイジアン・アプローチに基づく情報統合型物質・材料探索2016

    • Author(s)
      吉田亮
    • Organizer
      海洋地球インフォマティクス2016
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2016-05-11
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  • [Presentation] ベイジアン・アプローチに基づく情報統合型物質・材料探索2016

    • Author(s)
      吉田 亮
    • Organizer
      数学協働プログラムワークショップ「MI2I(情報統合型物質・材料開発)と数学連携による新展開」
    • Place of Presentation
      東京(JST東京本部)
    • Year and Date
      2016-03-29
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      2015 Annual Research Report
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  • [Presentation] ベイジアン・アプローチに基づくデータ科学駆動型薬剤分子探索2016

    • Author(s)
      吉田 亮
    • Organizer
      第7回 生物統計ネットワークシンポジウム
    • Place of Presentation
      東京(一橋講堂)
    • Year and Date
      2016-03-28
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      2015 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Bayesian approach towards data science driven materials discovery2016

    • Author(s)
      Ryo Yoshida
    • Organizer
      Waseda International Symposium
    • Place of Presentation
      Tokyo (Waseda University)
    • Year and Date
      2016-02-29
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      2015 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] ベイジアン・アプローチに基づくデータ科学駆動型材料研究の可能性2016

    • Author(s)
      吉田 亮
    • Organizer
      JAIST-ISMシンポジウム「シミュレーション科学とデータ科学の協働」
    • Place of Presentation
      石川(北陸先端科学技術大学院大学)
    • Year and Date
      2016-01-27
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      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] ベイジアン・アプローチに基づくデータ科学駆動型材料研究の可能性2015

    • Author(s)
      吉田 亮
    • Organizer
      第8回情報統合型研究交流会・一般公開シリーズ(5)
    • Place of Presentation
      つくば(物質・材料研究機構 並木地区)
    • Year and Date
      2015-11-04
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      2015 Annual Research Report
    • Invited
  • [Remarks] マテリアルズインフォマティクス Python ライブラリ:XenonPy

    • URL

      https://xenonpy.readthedocs.io/en/stable/index.html

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Remarks] R package iqspr in GitHub

    • URL

      https://github.com/GLambard/inverse-molecular-design

    • Related Report
      2017 Annual Research Report

URL: 

Published: 2015-04-16   Modified: 2020-03-30  

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