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人工知能を用いた化学コミュニケーション空間の多様性と共通性の解明

計画研究

研究領域化学コミュニケーションのフロンティア
研究課題/領域番号 17H06410
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関慶應義塾大学

研究代表者

榊原 康文  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (10287427)

研究分担者 佐藤 健吾  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (20365472)
齋藤 裕  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 情報・人間工学領域, 主任研究員 (60721496)
研究期間 (年度) 2017-06-30 – 2022-03-31
研究課題ステータス 交付 (2021年度)
配分額 *注記
76,180千円 (直接経費: 58,600千円、間接経費: 17,580千円)
2021年度: 15,600千円 (直接経費: 12,000千円、間接経費: 3,600千円)
2020年度: 15,600千円 (直接経費: 12,000千円、間接経費: 3,600千円)
2019年度: 15,600千円 (直接経費: 12,000千円、間接経費: 3,600千円)
2018年度: 15,600千円 (直接経費: 12,000千円、間接経費: 3,600千円)
2017年度: 13,780千円 (直接経費: 10,600千円、間接経費: 3,180千円)
キーワード人工知能 / 深層学習 / ケミカルスペース / マルチオミックス / 化合物フィンガープリント / 相互作用
研究実績の概要

1. 化合物タンパク質相互作用を予測する深層学習手法に,タンパク質タンパク質相互作用および化合物ネットワークのオミックスデータを導入することで,マルチオミックス統合モデルを構築し,既存の手法を予測精度で上回ることができた.
2. 機械学習による新規PKCリガンドの探索.A02入江グループの所有するPKCリガンドを教師データとして畳み込みニューラルネットワークによる深層学習モデルを構築し,PubChemの約1億種類の化合物に対してスパコンによる網羅的な結合予測を行った.新規骨格を有するリガンド候補を多数発見することに成功した.現在,A02入江グループによる活性評価と構造単純化アナログの開発が進行中である.
3. 深層学習手法であるDeep Auto Encoder(自己符号化器)にPCA解析(主成分分析)を組み合わせることにより,化合物構造の多様性を可視化する手法を開発した.本手法を用いて,掛谷(A01),上杉(A02),井貫(A02)が保有する化合物の多様性を,Drug Bank DB(認可薬データベース)の化合物をベースとして比較し,可視化した.
4. 強化学習を用いてバーチャルに化合物構造を生成する手法の開発.深層強化学習手法に,SMILES文法規則を表す特徴行列を用いた化合物構造の生成モデルを組み込み,分子特性の最大化,学習モデルの最適化を行い,先行研究と比較を行った.3つの分子特性指標(薬らしさ,疎水性,分子量)に関して最適化評価を行った結果,本手法は全てにおいて先行研究に匹敵するかそれ以上の最適化能力を示した.
5. 昨年度開発したmxfoldを拡張し,自由エネルギー最小化に基づく手法と深層学習に基づく手法を組み合わせ,さらに自由エネルギー値に基づく正則化を深層学習モデルに組み込むことによって適切な複雑さを表現することができる二次構造予測モデルを学習した.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究計画調書に記載した中間目標である網羅的にタンパク質化合物結合予測を高精度に行うバーチャルスクリーニングシステムである次世代COPICAT第一バージョン開発がほぼ目前のところまできており,順調に進展している.
新規PKCリガンドの探索について,入江グループによる構造単純化アナログの合成が進行中である.これらの結合活性データを予測システムにフィードバックすることにより,さらなるPKCリガンドの発見が期待できる.

今後の研究の推進方策

マルチオミックスデータを組み合わせたタンパク質-化合物相互作用予測手法の精度をさらに向上させることにより次世代COPICATの完成を目指す.深層学習手法であるDeep Auto Encoder(自己符号化器)にPCA解析(主成分分析)を組み合わせる化学コミュニケーション空間の解析手法について,化合物構造の多様性を可視化する手法の開発を続ける.掛谷班,上杉班,井貫班をはじめとする領域各班が保有する化合物を収集し,ケミカルスペースへのマッピングを行い,多様性の評価や新規化合物の生成を行うことで,AIプラットフォームの構築を行っていく.
また,深層強化学習による配列生成アルゴリズムを実装し,特定タンパク質をターゲットとする核酸創薬を目指した配列設計の計算機実験を行う.

報告書

(3件)
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 2017 実績報告書

研究成果

(34件)

すべて 2020 2019 2018 2017 その他

すべて 雑誌論文 (11件) (うち国際共著 1件、 査読あり 11件、 オープンアクセス 9件) 学会発表 (20件) (うち国際学会 7件、 招待講演 3件) 図書 (2件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] MetaVelvet-DL: a MetaVelvet deep learning extension for de novo metagenomics assembly2020

    • 著者名/発表者名
      Liang KC, Sakakibara, Y.
    • 雑誌名

      BMC Bioinformatics

      巻: in press

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Developing a codon optimization method for improved expression of recombinant proteins in actinobacteria2019

    • 著者名/発表者名
      Saito Yutaka、Kitagawa Wataru、Kumagai Toshitaka、Tajima Naoyuki、Nishimiya Yoshiyuki、Tamano Koichi、Yasutake Yoshiaki、Tamura Tomohiro、Kameda Tomoshi
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 9 ページ: 8338-8338

    • DOI

      10.1038/s41598-019-44500-z

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Comprehensive epigenome characterization reveals diverse transcriptional regulation across human vascular endothelial cells2019

    • 著者名/発表者名
      Nakato R, Wada Y, Nakaki R, Nagae G, Katou Y, Tsutsumi S, Nakajima N, Fukuhara H, Iguchi A, Kohro T, Kanki Y, Saito Y, Kobayashi M, Izumi-Taguchi A, Osato N, Tatsuno K, Kamio A, Hayashi-Takanaka Y, Wada H, Ohta S, Aikawa M, Nakajima H, Nakamura M, McGee RC, Heppner KW, Kawakatsu T, Genno M, Yanase H, Kume H, et al.
    • 雑誌名

      Epigenetics & Chromatin

      巻: 12 ページ: 77-77

    • DOI

      10.1186/s13072-019-0319-0

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] 機械学習支援による蛋白質高機能化2019

    • 著者名/発表者名
      亀田 倫史, 齋藤 裕, 及川 未早来, 梅津 光央, 津田宏治.
    • 雑誌名

      分子シミュレーション研究会誌「アンサンブル」

      巻: 21

    • NAID

      130007792888

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Convolutional neural network based on SMILES representation of compounds for detecting chemical motif2018

    • 著者名/発表者名
      Hirohara Maya、Saito Yutaka、Koda Yuki、Sato Kengo、Sakakibara Yasubumi
    • 雑誌名

      BMC Bioinformatics

      巻: 19 ページ: 526-526

    • DOI

      10.1186/s12859-018-2523-5

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A max-margin training of RNA secondary structure prediction integrated with the thermodynamic model2018

    • 著者名/発表者名
      Akiyama Manato、Sato Kengo、Sakakibara Yasubumi
    • 雑誌名

      Journal of Bioinformatics and Computational Biology

      巻: 16 ページ: 1840025-1840025

    • DOI

      10.1142/s0219720018400255

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Machine-Learning-Guided Mutagenesis for Directed Evolution of Fluorescent Proteins2018

    • 著者名/発表者名
      Saito Yutaka、Oikawa Misaki、Nakazawa Hikaru、Niide Teppei、Kameda Tomoshi、Tsuda Koji、Umetsu Mitsuo
    • 雑誌名

      ACS Synthetic Biology

      巻: 7 ページ: 2014-2022

    • DOI

      10.1021/acssynbio.8b00155

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Time-Series Analysis of Tumorigenesis in a Murine Skin Carcinogenesis Model2018

    • 著者名/発表者名
      Aoto Y, Okumura K, Hachiya T, Hase S, Sato K, Wakabayashi Y, Ishikawa F and Sakakibara Y.
    • 雑誌名

      Sci Rep

      巻: 8 号: 1 ページ: 12994-12994

    • DOI

      10.1038/s41598-018-31349-x

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Convolutional neural networks for classification of alignments of non-coding RNA sequences2018

    • 著者名/発表者名
      Aoki Genta、Sakakibara Yasubumi
    • 雑誌名

      Bioinformatics

      巻: 34

    • DOI

      10.1093/bioinformatics/bty228

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Ribosome Incorporation into Somatic Cells Promotes Lineage Transdifferentiation towards Multipotency2018

    • 著者名/発表者名
      Ito Naofumi、Katoh Kaoru、Kushige Hiroko、Saito Yutaka、Umemoto Terumasa、Matsuzaki Yu、Kiyonari Hiroshi、Kobayashi Daiki、Soga Minami、Era Takumi、Araki Norie、Furuta Yasuhide、Suda Toshio、Kida Yasuyuki、Ohta Kunimasa
    • 雑誌名

      Scientific Reports,

      巻: 8 ページ: 1634-1634

    • DOI

      10.1038/s41598-018-20057-1

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] DEclust: A statistical approach for obtaining differential expression profiles of multiple conditions.2017

    • 著者名/発表者名
      Aoto Y, Hachiya T, Okumura K, Hase S, Sato K, Wakabayashi Y, and Sakakibara Y.
    • 雑誌名

      PLoS One

      巻: 12 (11)

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0188285

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] MetaVelvet-DL: a MetaVelvet deep learning extension for de novo metagenomics assembly2019

    • 著者名/発表者名
      Liang KC, Sakakibara Y
    • 学会等名
      International Conference on Bioinformatics (InCoB) 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of meta-transcriptome analysis method and its application to meta-transcriptome map of common marmoset2019

    • 著者名/発表者名
      Uehara M, Kominato M, Hase S, Inoue T, Sasaki E, Toyoda A, Sakakibara Y
    • 学会等名
      Intelligent Systems for Molecular Biology (ISMB) / International Society for Computational Biology (ISCB) 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 慶應大学における医療へのAI活用の現状と動向について2019

    • 著者名/発表者名
      榊原康文
    • 学会等名
      公益社団法人日本技術士会神奈川県支部 第80回CPD講座
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 人工知能と実験の融合による生物工学研究2019

    • 著者名/発表者名
      齋藤 裕
    • 学会等名
      公益社団法人日本技術士会神奈川県支部 第80回CPD講座
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Rhodococcus erythropolisを用いた遺伝子配列改変によるタンパク質発現調節法の開発.2019

    • 著者名/発表者名
      田島 直幸, 北川 航, 齋藤 裕, 西宮 佳志, 玉野 孝一, 安武 義晃, 田村 具博, 亀田 倫史.
    • 学会等名
      日本農芸化学会 2019年度大会.
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] リボソームプロファイリングデータから見る複数生物の内在性タンパク質の翻訳効率と配列特徴量の関係.2019

    • 著者名/発表者名
      田島 直幸, 熊谷 俊高, 齋藤 裕, 亀田 倫史.
    • 学会等名
      第13回 日本ゲノム微生物学会年会.
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 機械学習支援によるタンパク質進化工学検証:GFPからYFPへ.2019

    • 著者名/発表者名
      及川 未早来, 齋藤 裕, 亀田 倫史, 中澤 光, 二井手 哲平, 津田 宏治, 梅津 光央.
    • 学会等名
      化学工学会 第84年会.
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Convolutional neural network based on SMILES representation of compounds for detecting chemical motif2018

    • 著者名/発表者名
      Maya Hirohara, Yutaka Saito, Yuki Koda, Kengo Sato, Yasubumi Sakakibara
    • 学会等名
      The 29th International Conference on Genome Informatics (GIW 2018)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Convolutional neural networks for classification of alignments of non-coding RNA sequences2018

    • 著者名/発表者名
      Genta Aoki and Yasubumi Sakakibara
    • 学会等名
      The 26th International conference on Intelligent Systems for Molecular Biology (ISMB2018)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of meta-transcriptome analysis method and its application to meta-transcriptome map of common marmoset2018

    • 著者名/発表者名
      Mika Uehara, Minori Kominato, Sumitaka Hase, Takashi Inoue, Erika Sasaki, Yasubumi Sakakibara
    • 学会等名
      6th World Congress on Targeting Microbiota
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of meta-transcriptome analysis method and its application to meta-transcriptome map of common marmoset2018

    • 著者名/発表者名
      榊原康文
    • 学会等名
      第77回日本癌学会学術総会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 機械学習を用いたRNA二次構造予測2018

    • 著者名/発表者名
      佐藤健吾
    • 学会等名
      日本バイオインフォマティクス学会九州地域部会セミナー
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Machine-learning-guided mutagenesis for directed evolution of fluorescent proteins.2018

    • 著者名/発表者名
      Yutaka Saito, Misaki Oikawa, Hikaru Nakazawa, Teppei Niide, Tomoshi Kameda, Koji Tsuda, Mitsuo Umetsu.
    • 学会等名
      The 29th International Conference on Genome Informatics (GIW 2018).
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Machine-learning-guided mutagenesis platform for desired evolution: in the case of fluorescent protein.2018

    • 著者名/発表者名
      Misaki Oikawa, Yutaka Saito, Tomoshi Kameda, Hikaru Nakazawa, Teppei Niide, Koji Tsuda, Mitsuo Umetsu.
    • 学会等名
      The 10th Protein & Antibody Engineering Summit (PEGS Europe 2018).
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 放線菌ロドコッカス属における遺伝子配列改変による発現調節の解析.2018

    • 著者名/発表者名
      Naoyuki Tajima, Wataru Kitagawa, Yutaka Saito, Yoshiyuki Nishimiya, Kouichi Tamano, Yoshiaki Yasutake, Tomohiro Tamura, Tomoshi Kameda.
    • 学会等名
      第7回 生命医薬情報学連合大会 (IIBMP 2018).
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 人工知能を用いたタンパク質高機能化.2018

    • 著者名/発表者名
      亀田 倫史, 齋藤 裕, 津田 宏治, 梅津 光央.
    • 学会等名
      第70回 日本生物工学会大会.
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] AIはタンパク質進化を導くか?:機械学習支援によるGFPのYFP化検証.2018

    • 著者名/発表者名
      及川 未早来, 齋藤 裕, 亀田 倫史, 中澤 光, 二井手 哲平, 津田 宏治, 梅津 光央.
    • 学会等名
      第70回 日本生物工学会大会.
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 放線菌ロドコッカス属における遺伝子配列改変による発現調節手法の開発.2018

    • 著者名/発表者名
      田島 直幸, 北川 航, 齋藤 裕, 西宮 佳志, 玉野 孝一, 安武 義晃, 田村 具博, 亀田 倫史.
    • 学会等名
      第41回 日本分子生物学会年会 (MBSJ 2018).
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 人工知能を用いた化学コミュニケーション空間の多様性の解明に向けて2018

    • 著者名/発表者名
      榊原康文
    • 学会等名
      日本農芸化学会2018年度大会シンポジウム
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Cosearge:HiCデータから複数のTADにまたがる遺伝子共局在を検出するアルゴリズム2017

    • 著者名/発表者名
      齋藤裕, 光山 統泰
    • 学会等名
      2017年度 生命科学系学会合同年次大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [図書] 情報解析に基づく遺伝子配列改変による発現量調節. スマートセルインダストリー -微生物細胞を用いた物質生産の展望-.2018

    • 著者名/発表者名
      亀田 倫史, 齋藤 裕, 田島 直幸, 西宮 佳志, 玉野 孝一, 北川 航, 安武 義晃, 田村 具博.
    • 総ページ数
      240
    • 出版者
      シーエムシー出版
    • ISBN
      9784781313344
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [図書] Comparative Epigenomics. Encyclopedia of Bioinformatics and Computational Biology.2018

    • 著者名/発表者名
      Yutaka Saito.
    • 総ページ数
      3284
    • 出版者
      Elsevier
    • ISBN
      9780128114148
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [備考] メタゲノムアセンブリプログラム「MetaVelvet-DL」

    • URL

      http://www.dna.bio.keio.ac.jp/metavelvet-dl/

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書

URL: 

公開日: 2017-07-04   更新日: 2021-08-30  

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