Development of fully automated NMR data analysis assisted by AI

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K06152
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 小林 直宏 国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, 上級研究員 (80272160)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 児嶋 長次郎 大阪大学, 蛋白質研究所, 特任研究員 (50333563)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: NMR / 構造解析 / 自動化 / 高度化 / 深層学習 / 人工知能

Outline of Annual Research Achievements

核磁気共鳴法 (NMR) は生体高分子などに対し原子分解能レベルで立体構造、動的状態、薬剤相互作用など多様な情報を得る事ができる。この10年X線結晶解析、クライオ電子顕微鏡などの構造解析技術が大規模に自動化されている一方でNMR解析は現在もなお経験論や手動解析に依存した部分が多い。申請者は高い自動化性能を求めるため深層学習の技術を取り入れる世界初の試みに成功し、令和２年度においてはこれらの技術的基盤をさらに発展させ、経験が無い初学者も高速高精度に解析を達成し、創薬研究に取り組めるシステムとして公開することを達成した。安定同位体ラベル化された蛋白質を用いる場合、多数の多次元スペクトルより得るべきNMR信号数は例えば76残基の蛋白質ですら4千個近い真の信号を検出する必要がある。これは従来の自動ピーク検出法で得ようとするならば多数のノイズを含む2万個以上の信号を検出してしまう。研究代表者は世界に先駆けて人工知能の一種である深層学習によるノイズ除去を高精度に実行可能な機能を搭載した解析ツールを公開し、国際誌への掲載に成功した。入力として検出されたNMR信号を画像化し、畳込みニューラルネットに加えピ信号数・強度分布による統計的情報を最終段のニューラルネットへ入力し、ノイズの可否を総合判定する。この機能は単純な信号強度のみならず、信号近傍の状況を視覚的に人工知能(AI)が経験したイメージに基づいた判別が行われ人間の直感に近い処理が実行される。また、多次元スペクトルの非線型取り込み法(NUS)を利用したNMR測定を代表者自らが実行することで測定時間を25%まで短縮し、令和２年までに合計18件も構造を自動解析により達成し、そのうち12件は測定から構造解析、データ検証の完了までわずか数日、さらに2件は人間の手ほぼを全く介さない完全自動化を実現した。これらの成果を国際誌に投稿する準備中である。

Research Products

• [Journal Article] Mechanism of hERG inhibition by gating-modifier toxin, APETx1, deduced by functional characterization (2020)
  • Author(s): K. Matsumura, S. Takushi, K. Yoshihiro, O. Takayuki Oka, N. Kobayashi, S. Imai, N. Yanase, M. Akimoto, M. Fukuda, M. Yokogawa, K. Ikeda, J. Kurita, Y. Nishimura, I. Shimada and M. Osawa.
  • Journal Title: BMC Mol. Cell Biol. Volume: 7 Pages: 1-16
  • DOI: 10.1186/s12860-020-00337-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Solution structure of Gaussia Luciferase with five disulfide bonds and identification of a putative coelenterazine binding cavity by heteronuclear NMR. (2020)
  • Author(s): N. Wu, N. Kobayashi, K. Tsuda, S. Unzai, T. Saotome, Y. Kuroda and T. Yamazaki.
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 10 Pages: 20069
  • DOI: 10.1038/s41598-020-76486-4.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nucleus Accumbens-Associated Protein 1 Binds DNA Directly through the BEN Domain in a Sequence-Specific Manner. (2020)
  • Author(s): N. Nakayama, G. Sakashita, T. Nagata, N. Kobayashi, H. Yoshida, S. Y. Park, Y. Nariai, H. Kato, E. Obayashi, K. Nakayama, S. Kyo and T. Urano.
  • Journal Title: Biomedicines Volume: 8 Pages: 608
  • DOI: 10.3390/biomedicines8120608.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Robust folding of a de novo designed ideal protein even with most of the core mutated to valine. (2020)
  • Author(s): R. Koga, M. Yamamoto, K. Takahiro, N. Kobayashi, T. Sugiki, T. Fujiwara and N. Koga
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA Volume: 117 Pages: 31149-31156
  • DOI: 10.1073/pnas.2002120117.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] H, 13C and 15N resonance assignment of the YTH domain of YTHDC2. (2020)
  • Author(s): F. He, R. Endo, K. Kuwasako, M. Takahashi, K. Tsuda, T. Nagata, S. Watanabe, A. Tanaka, N. Kobayashi, T. Kigawa, P. Guentert, M. Shirouzu, S. Yokoyama and Y. Muto.
  • Journal Title: Biomol. NMR Assign. Volume: 15 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1007/s12104-020-09974-3
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 高速・高精度な MagRO による NMR 構造解析の完全自動化 (2020)
  • Author(s): 小林直宏，杉木俊彦，南慎太朗，佐久間航也，長島敏雄，児嶋長次郎，藤原敏道，小杉貴洋，古賀理恵，古賀信康，山崎俊夫
  • Organizer: 第59回NMR討論会
• [Presentation] ヒト脂質輸送蛋白質CERがクラミジア封入体の膜蛋白Incにハイジャックされる分子機序の溶NMR解析 (2020)
  • Author(s): 杉木俊彦，熊谷圭悟，新家粧子，小林直宏，藤原敏道，花田賢太郎，児嶋長次郎
  • Organizer: 第59回NMR討論会
• [Presentation] 多次元固体 MAS-NMR を用いたヘリオロドプシンの立体構造解析 (2020)
  • Author(s): 鈴木しぶき，長島敏雄, 金子莉奈, 沖津貴志, 和田昭盛, 小林直宏, 山崎俊夫, 井上圭一, 神取秀樹, 川村出
  • Organizer: 第59回NMR討論会
• [Presentation] Structural differences and Novel Polymorphs of Synthetic and brain-derived Aβ42 Fibrils by1H-detected SSNMR (2020)
  • Author(s): A. Wickramasinghe, Y. Xiao, N. Kobayashi, T. Yamazaki and Y. Ishii
  • Organizer: 第59回NMR討論会
• [Presentation] 生体系NMRの最前線 基礎から学ぶー構造解析自動化 (2020)
  • Author(s): 小林直宏
  • Organizer: 令和２年蛋白研セミナー
  • Invited