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2014 Fiscal Year Research-status Report

分子個性を彫り出すシステム生物学の探求

Research Project

Project/Area Number 25650044
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

小松崎 民樹  北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (30270549)

Project Period (FY) 2013-04-01 – 2016-03-31
Keywords分子個性 / 反応ネットワーク / 自由エネルギー地形 / 一分子計測
Outline of Annual Research Achievements

蛍光共鳴エネルギー移動一分子計測では,分子が発する蛍光強度を通して分子の動きの経時変化を観察する。しかしながら,一つの分子が発する蛍光は微弱であり,かつ数百回程度の有限回数しか観測することができないため,有限のサンプル数及び計測そのものに由来する測定誤差を有している。そのため,現在,これらの誤差を正しく評価し背後に存在する分子の情報の詳細を正しく抽出する解析手法が必要とされている。我々は、有限個のサンプルから多数の“観察データ”を疑似的に発生させるブートストラップ法と呼ばれる統計手法を用いて,実験誤差存在下におけるデータの不確実さを定量化し,データの各切片を個々の分子状態に分類し,その分類の確実さを同時に同定するソフトクラスタリングと呼ばれる情報科学的手法を導入した新しい解析方法を開発した。
この新しい手法を中枢神経系における情報の伝達を仲介するタンパク質として知られるAMPA 受容体の蛍光共鳴エネルギー移動一分子計測における時系列データに適用した。基質が結合するAMPA受容体のドメインが“閉じた構造”で安定であるほど,情報伝達を媒介するカルシウムイオンが細胞膜を横切って移動すると考えられていたが,安定性だけでなく,受容体と基質が結合している際にいくつの異なる分子状態を有しているか,また,それらの分子状態の間の行き来のしやすさがイオンの膜透過活性に大きく影響していることを明らかにすることに成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

実データに基づいて計測誤差および有限個のデータ点から生じる数揺らぎの誤差を考慮にいれたデータ駆動型数理モデリングに関しては十分な成果を得るに至り、今後、分子個性から細胞個性へも展開できる目処が立ったことは大きい。一方、分子個性を論じるうえで必要となる構造間遷移に要する時間スケールの定量化に関しては、論文化が若干遅れている。

Strategy for Future Research Activity

今年度、開発した蛍光共鳴エネルギー移動1分子計測の光子列のデータに内在する実験誤差や有限個のデータ点から生じる数揺らぎの誤差を考慮にいれたネットワーク構築のアルゴリズムを1細胞ラマンスペクトルの動態解析に展開し、細胞個性を分子レベルで定量化する新しいデータ駆動型数理モデリングを開発する。

Causes of Carryover

当初、会議費として残額相当を計上していたが、会議が次年度に持ち越されたため。

Expenditure Plan for Carryover Budget

会議費を予定している。

  • Research Products

    (33 results)

All 2015 2014 Other

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 2 results,  Acknowledgement Compliant: 2 results) Presentation (24 results) (of which Invited: 9 results) Remarks (4 results)

  • [Journal Article] Error-based Extraction of States and Energy Landscapes from Experimental Single-Molecule Time-Series2015

    • Author(s)
      J. N. Taylor, C.-B. Li, D. Cooper, C. F. Landes, T. Komatsuzaki
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 5 Pages: 9174, 1-9

    • DOI

      10.1038/srep09174

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] トップダウンとボトムアップの橋渡し2014

    • Author(s)
      小松崎民樹
    • Journal Title

      生体の科学

      Volume: 65 Pages: 444-445

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Diversity in ATP concentrations in a single bacterial cell population revealed by quantitative single-cell imaging2014

    • Author(s)
      Hideyuki Yaginuma, Shinnosuke Kawai, Kazuhito V. Tabata, Keisuke Tomiyama, Akira Kakizuka, Tamiki Komatsuzaki, Hiroyuki Noji, Hiromi Imamura
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 4 Pages: 6522, 1-7

    • DOI

      10.1038/srep06522

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Handling Noisy Data from Single Molecule Experiments2014

    • Author(s)
      Chun-Biu Li, Tamiki Komatsuzaki
    • Journal Title

      SEIBUTSU BUTSURI

      Volume: 54 Pages: 257-258

    • DOI

      10.2142/biophys.54.257

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fast Step Transition and State Identification (STaSI) for Discrete Single-Molecule Data Analysis2014

    • Author(s)
      B. Shuang, D. Cooper, J. N. Taylor, L. Kisley, J. Chen, W. Wang, C.-B. Li, T. Komatsuzaki, C. F. Landes
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      Volume: 5 Pages: 3157-3161

    • DOI

      10.1021/jz501435p

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] Energy landscapes derived from single molecule spectroscopy and complex networks2015

    • Author(s)
      Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      Architecture, dynamics, and functionality of molecular biosystems
    • Place of Presentation
      The Institute for Molecular Science(愛知県岡崎市)
    • Year and Date
      2015-03-31 – 2015-03-31
    • Invited
  • [Presentation] Fast Step Transition and State Identification (STaSI) for Discrete Single-Molecule Data Analysis2015

    • Author(s)
      B. Shuang, D. Cooper, J. N. Taylor, L. Kisley, J. Chen, W. Wang, C.-B. Li, T. Komatsuzaki, and C. F. Landes
    • Organizer
      2015 Oil & Gas High Performance Computing Workshop
    • Place of Presentation
      Houston, USA
    • Year and Date
      2015-03-05 – 2015-03-05
  • [Presentation] Fast Step Transition and State Identification (STaSI) for Discrete Single-Molecule Data Analysis2015

    • Author(s)
      Bo Shuang, David Cooper, J. Nick Taylor, Lydia Kisley, Jixin Chen, Wenxiao Wang, Chun Biu Li, Tamiki Komatsuzaki, Chrisy Landes
    • Organizer
      The 2015 Quantitative BioImaging Conference
    • Place of Presentation
      Paris, France
    • Year and Date
      2015-01-07 – 2015-01-07
  • [Presentation] Error-based Extraction of Effective Free Energy Landscapes from Experimental Single-Molecule Time-Series2015

    • Author(s)
      Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      The 8th biennial workshop on Single Molecule Biophysics (SMB)
    • Place of Presentation
      Aspen, USA
    • Year and Date
      2015-01-04 – 2015-01-04
  • [Presentation] An extraction of embedded timescale hierarchies buried in complex reaction network2014

    • Author(s)
      Yutaka Nagahata, Satoshi Maeda, Hiroshi Teramoto, Chun-Biu Li, Takashi Horiyama, Tetsuya Taketsugu, Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      The 15th Ries-Hokudai International Symposium 響[hibiki]
    • Place of Presentation
      CHATERAISE Gateaux Kingdom SAPPORO(北海道札幌市)
    • Year and Date
      2014-12-16 – 2014-12-16
  • [Presentation] A kinetic disconnectivity graph to decode timescale hierarchy buried in reaction networks2014

    • Author(s)
      Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      XIXth International Workshop on Quantum Systems in Chemistry, Physics and Biology
    • Place of Presentation
      New Taipei City, Taiwan
    • Year and Date
      2014-11-16 – 2014-11-16
    • Invited
  • [Presentation] Data Driven Approach to Dynamics of Protein Motor2014

    • Author(s)
      Yuji Tamiya, Chun-Biu Li, Rikiya Watanabe, Hiroyuki Noji, Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      New Challenges in Complex Systems Science
    • Place of Presentation
      Nishiwaseda Campus, Waseda University(東京都新宿区)
    • Year and Date
      2014-10-25 – 2014-10-25
  • [Presentation] Challenges in Understanding Complex Systems at the Single Molecule Level2014

    • Author(s)
      Chun-Biu Li, and Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      New Challenges in Complex Systems Science
    • Place of Presentation
      Nishiwaseda Campus, Waseda University(東京都新宿区)
    • Year and Date
      2014-10-25 – 2014-10-25
    • Invited
  • [Presentation] 複雑分子系の構造異性化反応ネットワークに埋め込まれた時間階層構造の抽出2014

    • Author(s)
      永幡 裕, 寺本 央, Chun-Biu Li, 小松崎 民樹
    • Organizer
      研究会「理論と実験」2014
    • Place of Presentation
      広島大学理学部(広島県東広島市)
    • Year and Date
      2014-10-10 – 2014-10-10
  • [Presentation] 分子個性と少数性2014

    • Author(s)
      小松崎 民樹
    • Organizer
      第52回日本生物物理学会年会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター(北海道札幌市)
    • Year and Date
      2014-09-26 – 2014-09-26
  • [Presentation] 複雑分子系の異性化反応ネットワークに埋め込まれた時間階層構造の抽出2014

    • Author(s)
      永幡 裕、前田 理、寺本 央、Chun-Biu Li、堀山 貴史、武次 徹也、小松崎 民樹
    • Organizer
      第8回分子科学討論会
    • Place of Presentation
      広島大学東広島キャンパス(広島県東広島市)
    • Year and Date
      2014-09-21 – 2014-09-21
  • [Presentation] 少数性の生物学において顕在化する分子個性2014

    • Author(s)
      小松崎 民樹
    • Organizer
      日本物理学会2014年秋季大会
    • Place of Presentation
      中部大学春日井キャンパス(愛知県春日井市)
    • Year and Date
      2014-09-09 – 2014-09-09
    • Invited
  • [Presentation] Energy landscapes learned from time series and networks2014

    • Author(s)
      Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      Energy Landscapes : From Single Molecules to Soft Matter
    • Place of Presentation
      Durham, UK
    • Year and Date
      2014-08-20 – 2014-08-20
    • Invited
  • [Presentation] 複雑分子系における構造異性化反応ネットワークの理解に向けて2014

    • Author(s)
      永幡 裕, 寺本 央, Chun-Biu Li, 小松崎 民樹
    • Organizer
      第54回 分子科学若手の会 夏の学校
    • Place of Presentation
      いこいの村能登半島(石川県羽咋郡志賀町)
    • Year and Date
      2014-08-18 – 2014-08-18
  • [Presentation] Error-based Extraction of Effective Free Energy Landscapes from Experimental Single-Molecule Time-Series2014

    • Author(s)
      J.N. Taylor, Chun Biu Li, and Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      Macromolecular dynamics: structure, function and diseases
    • Place of Presentation
      Beijing, China
    • Year and Date
      2014-07-03 – 2014-07-03
  • [Presentation] Extracting Cooperative modes between a biological molecule and water molecules2014

    • Author(s)
      Hiroshi Teramoto, Mikito Toda, Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      International Workshop "Over the Barriers of Transition Paths: Dynamical Processes in Proteins and Complex Molecular Systems"
    • Place of Presentation
      Tokyo Institute of Technology(神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2014-06-28 – 2014-06-28
    • Invited
  • [Presentation] Energy Landscapes Constructed From Single-molecule Time Series And Reaction Networks2014

    • Author(s)
      Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      Macromolecular dynamics: structure, function and diseases
    • Place of Presentation
      Beijing, China
    • Year and Date
      2014-06-27 – 2014-06-27
    • Invited
  • [Presentation] Theories Should Meet Experiments: What Can We Extract From Time Series Data?2014

    • Author(s)
      Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      Beijing Computational Science Research Center (CSRC) Seminar
    • Place of Presentation
      Beijing, China
    • Year and Date
      2014-06-23 – 2014-06-23
    • Invited
  • [Presentation] Error-based Extraction of Effective Free Energy Landscapes from Experimental Single-Molecule Time-Series2014

    • Author(s)
      J.N. Taylor, Chun Biu Li, and Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      ICBP 8th IUPAP international conference on biological physics
    • Place of Presentation
      Beijing, China
    • Year and Date
      2014-06-21 – 2014-06-21
  • [Presentation] 複雑分子系における構造異性化反応ネットワークの理解に向けて2014

    • Author(s)
      永幡 裕、前田 理、寺本 央、Chun-Biu Li、堀山 貴史、武次 徹也、小松崎 民樹
    • Organizer
      第17回理論化学討論会
    • Place of Presentation
      名古屋大学(東山キャンパス)ES総合館(愛知県名古屋市)
    • Year and Date
      2014-05-23 – 2014-05-23
  • [Presentation] 生体分子と水の過渡的な集団運動の抽出2014

    • Author(s)
      寺本央、戸田幹人、小松崎民樹
    • Organizer
      第17回理論化学討論会
    • Place of Presentation
      名古屋大学(東山キャンパス)ES総合館(愛知県名古屋市)
    • Year and Date
      2014-05-22 – 2014-05-22
  • [Presentation] Energy Landscapes Constructed From Single-Molecule Time Series and Reaction Networks2014

    • Author(s)
      Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      The 2014 Les Houches - TSRC Protein Dynamics Workshop
    • Place of Presentation
      Les Houches, France
    • Year and Date
      2014-05-21 – 2014-05-21
    • Invited
  • [Presentation] ノイジーなFRETデータから多重経路を考慮に入れた自由エネルギー地形を抽出する2014

    • Author(s)
      小松崎 民樹
    • Organizer
      理研シンポジウム:細胞システムの動態と論理Ⅵ
    • Place of Presentation
      理化学研究所和光本所(埼玉県和光市)
    • Year and Date
      2014-04-04 – 2014-04-04
  • [Presentation] タンパク質の時系列から得られたMarkov連鎖の解析に向けて:グラフの分割とクラスタリングで定義する複雑な化学反応における状態とその時間階層構造2014

    • Author(s)
      永幡 裕, 寺本 央, Chun-Biu Li, 小松崎 民樹
    • Organizer
      理研シンポジウム:細胞システムの動態と論理Ⅵ
    • Place of Presentation
      理化学研究所和光本所(埼玉県和光市)
    • Year and Date
      2014-04-04 – 2014-04-04
  • [Remarks] 北海道大学電子科学研究所分子生命数理研究分野HP

    • URL

      http://mlns.es.hokudai.ac.jp/

  • [Remarks] プレス発表 ノイズを含むデータから分子の状態とそれらのネットワーク。。。

    • URL

      http://www.hokudai.ac.jp/pr/150318_es_pr.pdf

  • [Remarks] ノイズを含むデータから分子の状態とそれらのネットワーク。。。

    • URL

      http://www.es.hokudai.ac.jp/result/2015-03-18-mlns/

  • [Remarks] Novel method developed to extract ...

    • URL

      http://www.oia.hokudai.ac.jp/blog/2015/03/23/novel-method-developed-to-extract-molecular-states-and-their-network-from-noisy-single-molecule-time-series-data/

URL: 

Published: 2016-05-27  

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