Hierarchical data mining toward molecular dynamics of biomolecules and allication to pharmacy

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K03653
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13010:Mathematical physics and fundamental theory of condensed matter physics-related
• Research Institution: Nara Women's University
• Principal Investigator: Toda Mikito 奈良女子大学, その他部局等, 継続研究員 (70197896)
• 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)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 階層性 / 非平衡 / カオス / wavelet変換 / 時系列解析 / 生体分子 / 機能発現 / ラチェット

Outline of Final Research Achievements

For data of non-stationary time series, we propose a new method of data analysis "wavelet PCA", and show that it is effective to extract those degrees of freedom and frequency ranges which contribute to the changes of dynamical behavior. It is published in Progress of Theoretical and Experimental Physics Vol.2019 123A03 (2019). We develop a theoretical model to explain the antenna effects in DNA-protein systems, where it contradicts the detailed balance of equilibrium statistical physics. We point out that hierarchical structure in time causes the ratchet effects thus leading to breakdown of the detailed balance. It is published in Scientific Reports 10, 15624 (2020). We also find the dynamically induced conformation, where stability of slow collective degrees of freedom varies depending on energy distribution among fast vibrational degrees of freedom. It is published in Physical Review E 105, 064201 (2022).

Free Research Field

非線形非平衡統計力学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

生体分子の機能発現は、時空間階層性を持つ系の動力学であり、その機構の解明や、新たな機能の設計には、機能発現に寄与する集団自由度の挙動を理解することが必須である。我々が開発したwavelet PCAは、大自由度の大規模時系列データから、集団運動に寄与する自由度・周波数を抽出する方法であり、今後、生体分子の分子動力学データに応用することで大きな成果を挙げる事が期待できる。また、「階層性に起因するラチェット機構」というアイデアは、「動的誘導構造」と合わせて、生体分子の機能発現の研究において、根源的な視点の転換に結びつく。