ナチュラルコンピューティングの分子実現とその設計論

2006 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14085203
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 山村 雅幸 東京工業大学, 大学院総合理工学研究科, 教授 (00220442)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 樺島 祥介 東京工業大学, 大学院総合理工学研究科, 教授 (80260652) ; 木賀 大介 東京工業大学, 大学院総合理工学研究科, 助教授 (30376587) ; 伏見 譲 埼玉大学, 工学部, 教授 (80011641) ; 春木 満 日本大学, 工学部, 助教授 (30273593) ; 染谷 博司 統計数理研究所, 予測制御研究系, 助手 (00333518)
• Keywords: DNAコンピューティング / 遺伝的アルゴリズム / 統計物理 / 分子進化 / シミュレーション / 試験管ウィルス / アミノアシル化tRNA合成酵素 / 最適化

Research Abstract

本研究は分子計算によって培われた情報科学・生命科学の協力体制によって、分子進化という同一の課題に取組むことを目的とした。
ウエット進化計算の分子実現について、染谷と山村は、タンパク質工学のために「探索が任意のある一点から開始される」確率的最適化の手法を検討した。SAなどの既存手法の分子実現について理論的に考察し、遺伝的アルゴリズムに基づく主要を提案して、計算機実験により有効性を確かめた。
春木はランダム変異およびDNAシャッフリングによる大腸菌リボヌクレアーゼHの耐熱化実験、および大腸菌リポヌクレアーゼHIの耐熱化機構の熱力学的解析を行った。
木賀は構成生物学の立場から、工学一般における部品や作業の標準化という観点から遺伝子工学を改めて見直すことを試みた。部品の標準化に役立つフォーマットを提案し、実際に条件判定を行うためのパーツを構築してAND論理演算が可能であることを示した。さらに、Tokyo Allianceと称するチームを率いて、第3回国際人工遺伝子回路コンテストに参加し、最優秀部品賞、最優秀共同作業賞のふたつを受賞した。
進化リアクタの作成では、伏見は、mRNAの5'末端と、蛋白質のN末端付近を結合したin vitroウイルスを作製した。また、等温核酸増幅進化リアクタープロセスによるプロモーターの進化を実現した。
理論解析では、樺島は、多数のユニットが複雑に結合した系を数理的に解析する方法論について研究した.特に平均場近似のための効率的な数値最適化アルゴリズムを開発し、3体スピングラス模型で最近提唱された理論予想を支持する結果を得た。

Research Products

• [Journal Article] 分子計算のための一点から開始される探索法 (2007)
  • Author(s): 染谷博司, 山村雅幸, 坂本健作
  • Journal Title: 人工知能学会誌(J-STAGE) 22・4(採録)
• [Journal Article] Promising Search Regions of Crossover Operators for Function Optimization (2007)
  • Author(s): Hiroshi Someya
  • Journal Title: Proc. IEA/AIE 2007 (採録)
• [Journal Article] Selection-by-function : efficient enrichment of cathepsin E inhibitors from a DNA library (2007)
  • Author(s): Naimuddin M, Kitamura K., Kinoshita Y, Honda-Takahashi, Y., Murakami, M., Ito, M., Yamamoto, K., Hanada, K., Husimi, Y., Nishigaki, K.
  • Journal Title: J. Mol. Recognition, published online (On line)
• [Journal Article] Experimental Rugged Fitness Landscape in Protein Sequence Space (2007)
  • Author(s): Hayashi, S., Aita, T., Toyota, H., Husimi, Y., Urabe, I., Yomo, T.
  • Journal Title: PLoS ONE (accepted)
• [Journal Article] Extracting characteristic properties of fitness landscape from in vitro evolution : A case study on infectivity of fd phage to E. coli (2007)
  • Author(s): Aita, T., Hayashi, S., Toyota, H., Husimi, Y., Urabe, I, Yomo, T.
  • Journal Title: J. Theor. Biol. (accepted)
• [Journal Article] Numerical study of Thouless-Anderson-Palmer metastable states in three-body Ising spin glasses (2007)
  • Author(s): Y.Tonosaki, K.Takeda, Y.Kabashima
  • Journal Title: Phys. Rev. B (掲載予定)
• [Journal Article] Biofilm formation by a Bacillus subtilis strain that produces gamma-polyglutamate (2006)
  • Author(s): Morikawa, M., Kagihiro, S., Haruki, M., Takano, K., Branda, S., Kolter, R., Kanaya, S.
  • Journal Title: Microbiology 152 Pages: 2801-2807
• [Journal Article] A Hyperthermophilic Protein Acquires Function at the Cost of Stability (2006)
  • Author(s): Mukaiyama, A., Haruki, M., Ota, M., Koga, Y., Takano, K., Kanay, a S.
  • Journal Title: Biochemistry 45 Pages: 12673-12679
• [Journal Article] Modified substrate specificity of pyrroloquinoline quinone glucose dehydrogenase by biased mutation-assembling with optimized amino acid substitution (2006)
  • Author(s): Hamamatsu, N., Suzumura, A., Nomiya, Y., Sato, M., Aita, T., Nakajima, M., Husimi, Y., Shibanaka, Y.
  • Journal Title: Applied Microbiology and Biotechnology 73 Pages: 607-617
• [Journal Article] Accumulation of amino acid substitutions for thermostabilization of lactate oxidase with less deterioration of catalytic activity (2006)
  • Author(s): Hamamatsu, N., Nomiya, Y., Aita, T., Nakajima, M., Husimi, Y., Shibanaka, Y
  • Journal Title: Protein Eng. Design and Selection 19 Pages: 483-489
• [Journal Article] Solid-phase translation and RNA-protein fusion : a novel approach for folding quality control and direct immobilization of protein using anchored mRNA (2006)
  • Author(s): Biyani, M., Husimi, Y., Nemoto, N.
  • Journal Title: Nucleic Acids Res. Advanced publication online (On line)
• [Journal Article] 実験室内分子進化過程の熱力学的および情報論的解釈 (2006)
  • Author(s): 相田 拓洋, 伏見 譲
  • Journal Title: 生物物理 46 Pages: 137-143
• [Journal Article] Analysis of CDMA systems that are characterized by eigenvalue spectrum (2006)
  • Author(s): K.Takeda, S.Uda, Y.Kabashima
  • Journal Title: Europhysics Letters 76 Pages: 1193-1199
• [Journal Article] Tutorial on Brain-Inspired Computing part 5 : Statistical Mechanics of Communication and Computation (2006)
  • Author(s): Y.Kabashima
  • Journal Title: New Generation Computing 24 Pages: 403-420
• [Journal Article] Survey propagation for the cascading Sourlas code (2006)
  • Author(s): JPL.Hatchet, Y.Kabashima
  • Journal Title: JOURNAL OF PHYSICS A-MATHEMATICAL AND GENERAL 39・34 Pages: 10659-10672