2020 Fiscal Year Research-status Report
Hierarchical data mining toward molecular dynamics of biomolecules and allication to pharmacy
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19K03653
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| Research Institution | Nara Women's University |
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Principal Investigator |
戸田 幹人 奈良女子大学, 自然科学系, 教授 (70197896)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森藤 紳哉 奈良女子大学, 自然科学系, 教授 (30273832)
鎌田 真由美 京都大学, 医学研究科, 准教授 (70749077)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 大自由度カオス / 時系列解析 / 生体分子 / 次元圧縮 / 分子内非平衡 / 集団運動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生体分子の機能発現に関して、実験家を含めた共同研究の成果を論文として発表した。この研究では、DNA結合分子で実験的に発見された詳細釣り合いの破れに関して、理論的な説明を与えることが目的である。DNA分子に沿った１次元的な拡散過程と、タンパク質・DNA間における反応過程（結合と解離）を含む数理モデルを考え、このモデルから実験とよく合う理論式を導出した。この導出は非平衡定常過程が存在することを前提としている。この非平衡性の存在に関しては、大自由度系における時間スケールの階層構造に依拠したラチェット機構を、作業仮説として提出した。従来、ラチェット機構は、温度や化学ポテンシャルなど、分子を取り囲むマクロな環境における非平衡性を前提として考えられることが多い。本研究におけるラチェット機構は、Van Kampen の著書にある議論に示唆されたもので、分子内非平衡と呼ぶべき状況を考えている。即ち、生体分子のような大自由度の系では、分子内に様々な時空間スケールが存在し、考えている反応過程が生じる時間スケールにおいて、必ずしも分子内のすべての自由度が熱平衡を達成しているとは限らない。このような状況では、集団的自由度の挙動に応じて、反応過程の実効的ポテンシャル面が動的に変動することが考えられる。そのような場合に、反応過程において詳細釣り合いが破れる状況が存在する。以上の考えに基づいて、我々はラチェット機構を提案したのである。具体的にはラチェット機構を生み出す分子レベルのメカニズムとして、DNA分子やタンパク質分子における集団運動を考えている。以上の研究に加え、心拍の時系列データから不整脈の発生を予測する時系列解析、特異点解析を応用したバンド構造理論、気象のシミュレーションデータに対するウエーブレット変換を用いた解析、大自由度結合振動子系に対するネットワーク理論を用いた時系列解析の研究を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
２年目の目標として、生体分子の集団運動を抽出する新たな手法を開拓しテストをする予定であったが、現状ではまだテストランの手前にある。原因として、AI関連の研究を含めて、複数のアイデアの間で絞り込みができていないことが挙げられる。３年目には、それぞれのアイデアに関してテストプログラムを実装し、アイデアの検証を行う予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
大自由度力学系である生体分子の運動に関して、分子動力学計算で得られる大規模時系列データから、時空間の階層性を抽出する手法を開拓するために、ウエーブレット変換や、データ駆動によって構築する基底を用いる手法を試している。多様体抽出は、Artificial Intelligence (AI)においても盛んに研究されている。その方面では、たとえば畳込み型ニューラルネットワークとウエーブレット変換の関連、リザーバーコンピューターと大規模カオス力学系の次元縮約の関連など、本研究にも重要となるであろう研究成果が多々ある。これらの分野における最新の知見をも取り入れるべく努めている。
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| Causes of Carryover |
海外出張を計画していたが、コロナ禍のため中止した。
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