複雑ネットワークに対する構造的に頑健な制御手法

• 研究課題/領域番号: 26540125
• 研究種目: 挑戦的萌芽研究
• 配分区分: 基金
• 研究分野: ソフトコンピューティング
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 阿久津 達也 京都大学, 化学研究所, 教授 (90261859)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2016年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2015年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2014年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
• キーワード: 複雑ネットワーク / スケールフリーネットワーク / ブーリアンネットワーク / 遺伝子ネットワーク / 最小支配集合 / 構造的可制御性 / ロバストネス

研究成果の概要

申請者らが近年明らかにしてきたグラフ理論における支配集合と線形制御理論にける構造的可制御性の関係をもとに、一部の辺や頂点が利用不可能になってもネットワーク全体を制御可能とするために必要な最小の頂点集合の計算法を整数計画法に基づき開発し、そのサイズを理論的に解析した。さらに、辺が確率的に故障する場合にも頑健となる確率的支配集合という概念を提案し、計算法を開発するとともにそのサイズの理論解析を行った。一方、遺伝子ネットワークの離散数理モデル（ブーリアンネットワーク）の制御手法および観測手法についても研究を行い、制御および観測に必要な頂点数の解析や代謝ネットワーク解析への応用を行った。

研究成果

• [国際共同研究] ベングリオン大学(イスラエル)
• [国際共同研究] 香港大学/西安交通大学(中国)
• [国際共同研究] 香港大学(中国)
• [国際共同研究] 国立交通大学(台湾)
• [国際共同研究] ベングリオン大学(イスラエル)
• [雑誌論文] Discrimination of singleton and periodic attractors in Boolean networks (2017)
  • 著者名/発表者名: Cheng Xiaoqing、Tamura Takeyuki、Ching Wai-Ki、Akutsu Tatsuya
  • 雑誌名: Automatica 巻: 84 ページ: 205-213
  • DOI: 10.1016/j.automatica.2017.07.012
  • NAID: 120006542020
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Critical controllability analysis of directed biological networks using efficient graph reduction (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Ishitsuka1, T. Akutsu, J. C. Nacher
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 号: 1 ページ: 14361-14361
  • DOI: 10.1038/s41598-017-14334-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Critical controllability in proteome-wide protein interaction network integrating transcriptome (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Ishitsuka, T. Akutsu and J.C. Nacher
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 号: 1 ページ: 1-14
  • DOI: 10.1038/srep23541
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Minimum dominating set-based Methods for Analyzing Biological Networks (2016)
  • 著者名/発表者名: J.C. Nacher and T. Akutsu
  • 雑誌名: Methods 巻: 印刷中 ページ: 57-63
  • DOI: 10.1016/j.ymeth.2015.12.017
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Complex network-based approaches to biomarker discovery (2016)
  • 著者名/発表者名: Hayashida, M. and Akutsu, T.
  • 雑誌名: Biomarkers in Medicine 巻: 10 号: 6 ページ: 621-632
  • DOI: 10.2217/bmm-2015-0047
  • 査読あり
• [雑誌論文] Analysis of the effect of degree correlation on the size of minimum dominating sets in complex networks (2016)
  • 著者名/発表者名: Takemoto K, Akutsu T
  • 雑誌名: PLoS ONE 巻: 11 号: 6 ページ: e0157868-e0157868
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0157868
  • NAID: 120005819482
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Finding and analyzing the minimum set of driver nodes in control of Boolean networks (2016)
  • 著者名/発表者名: Wenpin Hou, Takeyuki Tamura, Wai-Ki. Ching and Tatsuya Akutsu
  • 雑誌名: Advances in Complex Systems 巻: 19 号: 03 ページ: 1650006-1650006
  • DOI: 10.1142/s0219525916500065
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Exact identification of the structure of a probabilistic Boolean network from samples (2016)
  • 著者名/発表者名: X. Cheng, T. Mori, Y. Qiu, W-K. Ching, T. Akutsu
  • 雑誌名: IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics 巻: 13 号: 6 ページ: 1107-1116
  • DOI: 10.1109/tcbb.2015.2505310
  • NAID: 120006863512
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Finding influential genes using gene expression data and Boolean models of metabolic networks (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Tamura, C-Y. Lin, J-M. Yang, T. Akutsu
  • 雑誌名: Proc. IEEE 16th International Conference on Bioinformatics and Bioengineering 巻: - ページ: 57-63
  • DOI: 10.1109/bibe.2016.25
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Computational methods for modification of metabolic networks (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Tamura, W. Liu, T. Akutsu
  • 雑誌名: Computational and Structural Biotechnology Journal 巻: 12 ページ: 376-381
  • DOI: 10.1016/j.csbj.2015.05.004
  • NAID: 120005712915
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Matrix Network: A New Data Structure for Efficient Enumeration of Microstates of a Genetic Regulatory Network (2015)
  • 著者名/発表者名: X. Cong, T. Akutsu
  • 雑誌名: Journal of Information Processing 巻: 23 号: 6 ページ: 804-813
  • DOI: 10.2197/ipsjjip.23.804
  • NAID: 130005109167
  • ISSN: 1882-6652
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Determining associations between human diseases and non-coding RNAs with critical roles in network control (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Kagami, T. Akutsu, S. Maegawa, H. Hosokawa, J. C. Nacher
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 5 号: 1 ページ: 14577-14577
  • DOI: 10.1038/srep14577
  • NAID: 120005818233
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A Fixed-Parameter Algorithm for Detecting a Singleton Attractor in an AND/OR Boolean Network with Bounded Treewidth (2015)
  • 著者名/発表者名: Chia-Jung Chang, Takeyuki Tamura, Kun-Mao Chao and Tatsuya Akutsu
  • 雑誌名: IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences 巻: E98.A 号: 1 ページ: 384-390
  • DOI: 10.1587/transfun.E98.A.384
  • NAID: 130004770922
  • ISSN: 0916-8508, 1745-1337
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structurally Robust Control of Complex Networks (2015)
  • 著者名/発表者名: J.C. Nacher and T. Akutsu
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 91 号: 1 ページ: 0128261-19
  • DOI: 10.1103/physreve.91.012826
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Computing smallest intervention strategies for multiple metabolic networks in a boolean model. (2015)
  • 著者名/発表者名: Lu, W., Tamura, T., Song, J. & Akutsu, T.
  • 雑誌名: Journal of computational biology 巻: 22 号: 2 ページ: 85-110
  • DOI: 10.1089/cmb.2014.0274
  • NAID: 120005657917
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Analysis of critical and redundant nodes in controlling directed and undirected complex networks using dominating sets (2014)
  • 著者名/発表者名: J.C. Nacher and T. Akutsu
  • 雑誌名: Journal of Complex Networks 巻: 2 号: 4 ページ: 394-412
  • DOI: 10.1093/comnet/cnu029
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] On the minimum number of genes required for discriminating steady states under a Boolean model (2017)
  • 著者名/発表者名: X. Cheng, T. Tamura, W-K. Ching, T. Akutsu
  • 学会等名: 情報処理学会第51回バイオ情報学研究会
• [学会発表] On exact identification of the structure of a probabilistic Boolean threshold network from samples (2017)
  • 著者名/発表者名: A. A. Melkman, X. Cheng, W-K. Ching, T. Akutsu
  • 学会等名: 情報処理学会第113回MPS・第50回BIO合同研究発表会
• [学会発表] 最小支配集合に基づく有向生体ネットワーク解析のための高速アルゴリズム (2017)
  • 著者名/発表者名: 石塚雅之, 阿久津達也, ナチェルホセ
  • 学会等名: 情報処理学会第113回MPS・第50回BIO合同研究発表会
• [学会発表] Extensions and Applications of the Minimum Dominating Set-Based Approach to Controllability of Complex Networks (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Akutsu
  • 学会等名: Controlling Complex Networks (Satellite Symposium of International School and Conference on Network Science)
  • 発表場所: 韓国・ソウル ・K-Hotel
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Minimum Dominating Set-Based Approaches for Controlling and Analyzing Biological Networks (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Akutsu
  • 学会等名: Controlling Complex Network Systems in Biology (Workshop)
  • 発表場所: 理研和光キャンパス
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Minimum Dominating Set-based Approaches for Analyzing and Controlling Biological Networks (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Akutsu
  • 学会等名: 第26回日本数理生物学会大会
  • 発表場所: 九州大学伊都キャンパス
  • 招待講演
• [学会発表] Finding Influential Genes Using Gene Expression Data and Boolean Models of Metabolic Networks (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Tamura, C-Y. Lin, J-M. Yang, T. Akutsu
  • 学会等名: IEEE 16th International Conference on Bioinformatics and Bioengineering
  • 発表場所: 台湾・台中・Splendor Hotel
  • 国際学会
• [学会発表] Minimum Dominating Set-based Approaches for Analyzing and Controlling Biological Networks (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Akutsu
  • 学会等名: 2016 Biotech and Pharmaceutical Service Platform - Biological Network Analysis Conference
  • 発表場所: 台湾・国立交通大学
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Minimum Dominating Set-based Approach to Analysis and Control of Biological Networks (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Akutsu
  • 学会等名: The Protein Network Workshop
  • 発表場所: Institute for Mathematical Sciences, NUS, Singapore
  • 年月日: 2015-06-08
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Minimum Dominating Set-based Approaches for Analyzing and Controlling Biological Networks (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Akutsu
  • 学会等名: 9th Asian Biophysics Association Symposium
  • 発表場所: Shangyu International Hotel, China
  • 年月日: 2015-05-09
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] non-coding RNA-タンパク質相互作用ネットワークとその制御性の特徴分析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 香々見春菜, 阿久津達也, ホセ・ナチェル
  • 学会等名: 情報処理学会バイオ情報学研究会
  • 発表場所: 産業技術総合研究所 臨海副都心センター別館
  • 年月日: 2014-12-18
• [学会発表] ブーリアントネットワークにおけるアトラクターの検出、観測、制御 (2014)
  • 著者名/発表者名: 阿久津達也
  • 学会等名: 日本バイオインフォマティクス学会 生命システム理論研究会
  • 発表場所: 京都大学 iPS細胞研究所
  • 年月日: 2014-11-18
  • 招待講演
• [図書] Algorithms for Analysis, Inference, and Control of Boolean Networks (2018)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Akutsu
  • 総ページ数: 228
  • 出版者: World Scientific
  • ISBN: 9789813233423