2014 Fiscal Year Research-status Report
非平衡非定常現象への統計科学の展開と生体分子の機能発現機構に対するその応用
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25610105
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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, 准教授 (70197896)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高見 利也 九州大学, 情報基盤研究開発センター, 准教授 (10270472)
福水 健次 統計数理研究所, 数理・推論研究系, 教授 (60311362)
藤崎 弘士 日本医科大学, 医学部, 准教授 (60573243)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 生体分子 / 反応動力学 / 大自由度力学系 / 非平衡統計力学 / 統計科学 / 相空間構造 / 時系列解析 / ウエーブレット解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、揺らいでいる環境の下で、生体分子の機能が頑健に発現するメカニズムを解明する方法論の構築である。即ち、外界の揺らぎに抗して、あるいは揺らぎを利用することによって、分子機能が発現する起源を、生体分子の動的な性質に基づいて理解することを目指している。特に、生体分子の動力学には、特徴的な時空間スケールを持つ複数の階層で様々な集団運動が存在し、それらの集団運動は、それぞれの階層において固有のダイナミックスを持つとともに、階層を越えた相互的な関連のもとに挙動していることが予想される。このような様相をとらえるために、本研究では以下の３点を中心的な課題とする。（１）非平衡分子動力学で得られる大規模分子動力学データから、機能と関連する集団運動を抽出するデータマイニングの手法を、時間における階層抽出（ウエーブレット変換など）と空間次元縮約（特異値分解・正準相関解析など）を組み合わせて開拓する。（２）これらの集団運動が相互に、刺激とその応答として挙動する相関や因果関係を解析する統計的因果推論を、カーネル法などを用いた手法で展開する。（３）以上の方法論を、生体分子に対する大規模シミュレーションデータの解析に応用する。対象とする生体分子は、揺らぎ下において構造変化と機能が密接に関係する生体分子（「天然変性タンパク質」を典型とする）である。これら生体分子の時系列データに対する時系列解析によって、揺らぎの中から機能を担う集団運動が形成されていく動力学的過程を解析する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究課題（１）に関しては、ウエーブレット変換と主成分解析（ＰＣＡ）を組み合わせた時系列解析の新手法として、ウエーブレットＰＣＡを開拓し、モデル系の解析で有効性を検証している。モデル系としては、エネルギー等分配が破れることが知られ、非線形物理学の観点から興味を持たれているFermi・Pasta・Ulam（ＦＰＵ）結合振動子系と、タンパク質分子の粗視化モデルである弾性振動子ネットワーク系（Elastic Network Model）である。研究課題（２）に関しては、統計科学におけるカーネル法を実際に応用する際に重要となる二つの問題、カーネル選択問題と原像問題に取り組んでいる。ウエーブレットＰＣＡとカーネル法のいずれの手法において、「解析の結果得られる基底をどのように解釈するのか」という問題が現われる。この問題は、先端的な手法の応用に際して、普遍的に直面せざるを得ない課題であり、新たなアイデアが必要である。研究課題（３）に関しては、「天然変性タンパク質」の一種であるＤＮＡ分解酵素ＳＮaseの時系列解析に取り組んでいる。さらに、構造変化と分子機能の関連でアロステリーに注目している。アロステリーとは、生体分子において、機能を果たす部位から離れた個所の構造変化が、分子機能の調節機能を持つ現象を指している。神経伝達において重要とされるＰＤＺドメインは、比較的固いとされるタンパク質でありながら、アロステリー効果を示す生体分子として興味を持たれている。このＰＤＺドメインの時系列解析も行っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究課題（１）に関しては、２次の相関を利用したウエーブレットＰＣＡを拡張し、高次相関を利用する手法の開拓を行う。モデル系の解析において見えてきた問題に、時系列の非定常性を自動的に検出する手法の開発がある。揺らぎの統計的性質が急激に変化する時
点を検出し、急激な変化を引き起こす自由度の特定を行う手法を目指す。これらの手法を、Fermi・Pasta・Ulam（ＦＰＵ）結合振動子系と弾性振動子ネットワーク系（Elastic Network Model）に適用し、その有効性を検証する。研究課題（２）に関しては、特にカー
ネル原像問題のアルゴリズムを実装することを中心的な課題とする。カーネルの選択に際しても、原像問題に有効な方法があることが重要となるからである。原像問題のアルゴリズムを、多次元空間において揺らいだ成分を持つ多様体抽出に応用し、その有効性を検証するとともに、モデル力学系における法双曲的不変多様体の抽出に応用する。「解析の結果得られる基底をどのように解釈するのか」という問題に関しても、基底の変化が生じる自由度の特定を行うことで、「既に知られた基底」から「まだ知られざる基底」への変化を解析する手がかりを得る方法を開拓する。研究課題（３）に関しては、ＰＤＺドメインに関する研究成果をまとめるとともに、ＤＮＡ分解酵素ＳＮaseの時系列解析をさらに進め、水素結合の動的な特徴付けに応用できる手法を発展させる。また生体分子の内部における振動エネルギー移動過程の解析や非平衡現象の統計的特徴付け、成長するモードを抽出できる手法の応用によって、構造変化を起こす集団自由度の特定と、そのトリガーとなる動きの抽出を目指す。
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| Causes of Carryover |
物品の購入と旅費の支出において予定より若干小額となった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
物品費あるいは旅費の一部として使用する。
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