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隠れた自由度を持つタンパク質-分子のパラメータ推定法

公募研究

研究領域膜超分子モーターの革新的ナノサイエンス
研究課題/領域番号 21023007
研究種目

特定領域研究

配分区分補助金
審査区分 生物系
研究機関東京大学

研究代表者

原田 崇広  東京大学, 大学院・理学系研究科, 講師 (80432152)

研究分担者 鳥谷部 祥一  中央大学, 理工学部, 助教 (40453675)
研究期間 (年度) 2009 – 2011
研究課題ステータス 完了 (2010年度)
配分額 *注記
6,300千円 (直接経費: 6,300千円)
2010年度: 3,200千円 (直接経費: 3,200千円)
2009年度: 3,100千円 (直接経費: 3,100千円)
キーワード1分子計測 / ベイズ推定 / 分子モーター / 非平衡統計力学 / 一分子計測 / パラメータ推定
研究概要

タンパク質のダイナミクスの研究では、アミノ酸の数と同程度の膨大な自由度を考慮するのが一般的である。しかし、最近の1分子実験や分子シミュレーションの結果を統合すると、少なくともモータータンパク質など比較的大きな構造変化をするタンパク質は、その大域的で遅いダイナミグスは高々2~3程度の自由度で粗視化できることが分かってきた。このような実験結果を踏まえて、タンパク質のダイナミクスを低次元のLangevin系でモデル化する試みがされている。しかしタンパク質1分子の動きは直接観察出来ない。リンカーを介して結合されたプローブ粒子の動きから、タンパク質の動きや粗視化モデルの物性パラメータを推定する枠組みが必要となる。この問題に対してベイズ推定の枠組みで取り組み、隠れた自由度を持つ微小系に対するパラメータ推定法を構築し、Langevinモデルで数値実験を行いその有効性を確認した。一方で内部自由度の緩和時間よりもプローブの緩和時間が長くなるとき、推定結果が急激に不安定になる一種の相転移を初めて見出した。パラメータ推定が容易な領域では、観測時間に比例して推定誤差が減少していくことが確かめられ、我々の理論と一致する結果を得た。パラメータ推定では一般に、モデルパラメータが決まれば、経路確率の隠れた自由度に関する最大化で、隠れた自由度の最尤軌道も求めることができる。しかし、準安定状態が多数あるポテンシャルを含むLangevin系の場合、通常の緩和法では最尤軌道の計算コストが膨大になる。そこで、摂動展開を用いて最尤軌道の近似解を逐次的に構成する手法を考案した(往復法)。1分子実験の粗視化モデルで数値実験を行い、緩和法に比べて3桁以上速く解が収束することを確認した。さらに、初期条件と境界条件の選択によらず、ほぼ一意で適切な解が得られることを示した。

報告書

(2件)
  • 2010 実績報告書
  • 2009 実績報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2011 2010 2009

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (9件)

  • [雑誌論文] Bayesian estimation of the internal structure of proteins from smgle-molecule measurements2011

    • 著者名/発表者名
      Makito Miyazaki, Takahiro Harada
    • 雑誌名

      J.Chem.Phys.

      巻: 134

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Go-and-Back method : Effective estimation of the hidden motion of proteins from single-molecule time series2011

    • 著者名/発表者名
      Makito Miyazaki, Takahiro Harada
    • 雑誌名

      J.Chem.Phys.

      巻: 134

    • NAID

      120003072124

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Optimal Waveform for the Entrainment of a Weakly Forced Oscillator2010

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Harada, Hisa-Aki Tanaka, Michael J.Hankins, Istvan Z.Kiss
    • 雑誌名

      Phys.Rev.Lett.

      巻: 105

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Bayesian estimation of the internal structure of proteins from single-molecule measurements2010

    • 著者名/発表者名
      Makito Miyazaki, Takahiro Harada
    • 学会等名
      The 4th Mechanobiology Workshop and Biophysical Society Joint Meeting
    • 発表場所
      Singapore, Singapore
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] 分子モーターのステップ軌道の効率的な推定2010

    • 著者名/発表者名
      宮崎牧人, 原田崇広
    • 学会等名
      第48回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      東北大学(宮城県)
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] 往復法:タンパク質の隠れた自由度の動きの効率的な推定2010

    • 著者名/発表者名
      宮崎牧人, 原田崇広
    • 学会等名
      定量生物学の会第3回年会
    • 発表場所
      東京大学
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] 情報をエネルギーに変換する2010

    • 著者名/発表者名
      鳥谷部祥一
    • 学会等名
      基研研究会:非平衡系の物理-非平衡ゆらぎと集団挙動
    • 発表場所
      京都大学基礎物理学研究所
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Uncovering the hidden structure of the protein using Bayesian inference2010

    • 著者名/発表者名
      宮崎牧人, 原田崇広
    • 学会等名
      FEBS Advanced Lecture Course on "Cytoskeleton, Contractility and Motility", Pierre-Gilles de Gennes Winter School 2010
    • 発表場所
      Corsica, France
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] 1分子計測における逆問題:タンパク質の内部構造に対するベイズ推定2010

    • 著者名/発表者名
      宮崎牧人, 原田崇広
    • 学会等名
      定量生物学の会第2回年会
    • 発表場所
      大阪大学
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] タンパク質の内部構造に対するベイズ推定II2010

    • 著者名/発表者名
      宮崎牧人, 原田崇広
    • 学会等名
      日本物理学会2010年春季大会
    • 発表場所
      岡山大学
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] タンパク質の内部構造に対するベイズ推定2009

    • 著者名/発表者名
      宮崎牧人, 原田崇広
    • 学会等名
      日本物理学会2009年秋季大会
    • 発表場所
      熊本大学
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] タンパク質の内部構造に対するベイズ推定2009

    • 著者名/発表者名
      宮崎牧人, 原田崇広
    • 学会等名
      第47回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      徳島文理大学
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書

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公開日: 2009-04-01   更新日: 2018-03-28  

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