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2011 年度 実績報告書

少数分子反応ネットワーク理論の構築-少数性と階層性の観点からのモデリング-

計画研究

研究領域少数性生物学―個と多数の狭間が織りなす生命現象の探求―
研究課題/領域番号 23115007
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

研究機関神戸大学

研究代表者

冨樫 祐一  神戸大学, システム情報学研究科, 講師 (50456919)

研究分担者 小松崎 民樹  北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (30270549)
キーワード生物物理学 / 情報幾何学 / 生体高分子 / 反応拡散系 / 複雑ネットワーク / Dynamic Disorder / 1分子時系列解析 / 数理モデル化
研究概要

計画初年度である本年度は、少数分子反応系理論の多成分ネットワークへの拡張と、1分子動態解析のための理論構築を進めるとともに、領域内の研究者との議論を通じ検証実験の方策を検討した。
少数分子成分が反応ネットワークの実効的組み替えを引き起こす可能性は、簡単なモデル反応系では示されていたが、生物のように少数分子成分を多数含む複雑なネットワークの振舞いの定量的予言に向け、本年度はまず、多成分触媒反応ネットワークのシミュレーションによる考察を進めた。細胞の成長・分裂のように成分を再生産する構造においては、ある適当な系の大きさ(分子の総数)があり、小さすぎると再生産が不可能になるのはもとより、大きすぎても成分組成の再帰性が損なわれる場合があることが見出された。即ち、分子が適度に少数であることの重要性が示唆された。
また、1分子酵素反応では、各素過程の反応速度定数は酵素分子がもつ多様な構造毎に異なり、基質濃度が高くなると、ゆっくりと変化する酵素分子の多型構造に由来して、反応は多様な時間スケールの揺らぎを持つと解釈されている(Dynamic disorder)。本年度は、閾値を設定してレベルの変化を評価する従来法と(情報理論に依拠する)変化点解析を系統的に比較・解析し、シグナル/ノイズ比が無視できない場合ならびにバックグラウンドノイズが一定でない場合は、従来法は誤った解釈を導く可能性が極めて高いこと、(従来法により)dynamic disorderが存在すると考えられてきたα-キモトリプシンにおいて、その存在は実は認められないことなどを見出した。この他、多変量データ間の高次相関の定量化と既約できないモジュール構造を抽出する情報理論的枠組みを開発した。これらは、1分子動態解析に関して、構造多型性など1分子レベルと集団レベルとの質的な違いを正確、かつ客観的に同定できるものとして期待される。

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

本課題単独での理論研究は、概ね計画通り進行した。特に、1分子動態解析に関する成果は、既に行部を論文として公表した。研究員雇用に予定より時間を要するなど、いくつか問題も生じたが、いずれも解決の目途が立っている。行方で、実験との連携においては、領域内のA02-2班の実験結果を基に、情報探索に関する新たな共同研究の企画が進むなど、計画以上に進展した部分もあった。そのため、全体として上記の評価とした。

今後の研究の推進方策

領域内の最新の実験結果の検討により、本課題の研究目的の枠組みの中で、新たに取り組むべき課題が明らかになってきている。すでに本年度、A02-2班との間で、具体的な計画の策定に取り組んだが、次年度の早期に、他の計画研究班、また新たに加わる公募班との間でも検討・計画策定を進める。
1分子実験との連携においては、観測値から内因性および外因性ノイズを除去し、背後の物理量を抽出する確度の高い評価理論を開発する。そのうえで、背後に存在する反応ネットワークおよびエネルギー地形を抽出し、少数系が多数系のダイナミクスへ影響を与えているかを評価する解析理論を展開する。
関連研究者の人数に比して取り組むべき小課題が増えつつあるため、優先順位を明らかにするよう努める。

  • 研究成果

    (20件)

すべて 2012 2011 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (15件) 図書 (2件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Dynamic Disorder in Single-Enzyme Experiments : Facts and Artifacts2011

    • 著者名/発表者名
      Tatyana G.Terentyeva, Hans Engelkamp, Alan E.Rowan, Tamiki Komatsuzaki, Johan Hofkens, Chun-Biu Li, Kerstin Blank
    • 雑誌名

      ACS Nano

      巻: 6 ページ: 346-354

    • DOI

      10.1021/nn203669r

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Decomposability of Multivariate Interactions2011

    • 著者名/発表者名
      Naoki Miyagawa, Hiroshi Teramoto, Chun-Biu Li, Tamiki Komatsuzaki
    • 雑誌名

      Complex Systems

      巻: 20 ページ: 165-179

    • 査読あり
  • [学会発表] 多原子分子の構造転移反応に対する少数の変数による実効的記述2012

    • 著者名/発表者名
      河合信之輔, 寺本央, 小松崎民樹
    • 学会等名
      日本化学会第92春季年会
    • 発表場所
      慶應義塾大学(神奈川県)
    • 年月日
      2012-03-28
  • [学会発表] 化学反応や生体高分子の構造変化における状態変化の起源を探る2012

    • 著者名/発表者名
      小松崎民樹, 戸田幹人
    • 学会等名
      日本物理学会第67回年次大会(オーガナイザー)
    • 発表場所
      関西学院大学西宮上ケ原キャンパス(兵庫県)
    • 年月日
      2012-03-27
  • [学会発表] 大域的パターンの連結情報量とその分解可能性2012

    • 著者名/発表者名
      宮川尚紀, 寺本央, 李振風, 小松崎民樹
    • 学会等名
      日本物理学会第67回年次大会
    • 発表場所
      関西学院大学西宮上ケ原キャンパス(兵庫県)
    • 年月日
      2012-03-27
  • [学会発表] 一分子時系列から"掘り起こす"多次元自由エネルギー地形の情報理論的構成法の開発2012

    • 著者名/発表者名
      千葉勇太, 河合信之輔, 馬場昭典, 寺本央, Chun Biu Li, 小松崎民樹
    • 学会等名
      日本物理学会第67回年次大会
    • 発表場所
      関西学院大学西宮上ケ原キャンパス(兵庫県)
    • 年月日
      2012-03-27
  • [学会発表] 非リボソームペプチド合成酵素の多次元挙動解析理論の開発2012

    • 著者名/発表者名
      菊地正浩, 河合信之輔, 寺本央, Chun Biu Li, 小松崎民樹
    • 学会等名
      日本物理学会第67回年次大会
    • 発表場所
      関西学院大学西宮上ケ原キャンパス(兵庫県)
    • 年月日
      2012-03-27
  • [学会発表] 1分子実験を読み解くための新しい実践型分子理論を目指して2012

    • 著者名/発表者名
      小松崎民樹
    • 学会等名
      日本化学会第92春季年会"第2次先端ウォッチング高次分子システムのための分子科学:実験と理論の挑戦"
    • 発表場所
      慶應義塾大学(神奈川県)(招待講演)
    • 年月日
      2012-03-26
  • [学会発表] 長時間一分子蛍光測定による緑膿菌由来シトクロムCのフォールディング機構の研究2012

    • 著者名/発表者名
      川口敏史, 鎌形清人, 小井川浩之, 三本木至宏, 馬場昭典, 小松崎民樹, 高橋聡
    • 学会等名
      日本化学会第92春季年会
    • 発表場所
      慶應義塾大学(神奈川県)(招待講演)
    • 年月日
      2012-03-26
  • [学会発表] Data-Driven Modeling of the Complex Kinetics and Dynamics from Single Protein Motor Rotation Experiments2012

    • 著者名/発表者名
      Chun-Biu Li
    • 学会等名
      Quantitative Developmental Biology
    • 発表場所
      RIKEN Center for Developmental Biology (CDB)(兵庫県)
    • 年月日
      2012-03-26
  • [学会発表] 局所スペクトルを用いた大自由度力学系の解析2012

    • 著者名/発表者名
      寺本央, 戸田幹人, 小松崎民樹
    • 学会等名
      日本物理学会第67回年次大会
    • 発表場所
      関西学院大学西宮上ケ原キャンパス(兵庫県)
    • 年月日
      2012-03-24
  • [学会発表] 凝縮相化学反応の本質部分を記述する低自由度力学系の抽出2012

    • 著者名/発表者名
      河合信之輔, 寺本央, 小松崎民樹
    • 学会等名
      日本物理学会第67回年次大会
    • 発表場所
      関西学院大学西宮上ケ原キャンパス(兵庫県)
    • 年月日
      2012-03-24
  • [学会発表] Extracting the Reaction Network Buried in Single Molecule Time Series of Epidermal Growth Factor Receptor (EGFR) and Growth Factor Receptor-Bound Protein 2 (Grb2) in Cytoplasm2012

    • 著者名/発表者名
      Tahmina Sultana, Hiroshi Teramoto, Chun Biu Li, Tamiki Komatsuzaki
    • 学会等名
      IGP International Symposium, 2012
    • 発表場所
      Hokkaido University(北海道)
    • 年月日
      2012-03-02
  • [学会発表] Theories Should Meet Measurements : What Can We Extract from Time Series Data?2012

    • 著者名/発表者名
      Tamiki Komatsuzaki
    • 学会等名
      The 2012 WPI-AIMR Annual Workshop
    • 発表場所
      Sendai International Center(宮城県)(招待講演)
    • 年月日
      2012-02-22
  • [学会発表] 少数分子反応ネットワーク理論の構築~少数性・離散性・多状態性・階層性~2012

    • 著者名/発表者名
      冨樫祐一
    • 学会等名
      定量生物学の会第4回年会
    • 発表場所
      名古屋大学東山キャンパス(愛知県)
    • 年月日
      2012-01-08
  • [学会発表] 生体分子機械の粗視化モデリング手法の検証2012

    • 著者名/発表者名
      顧傑, 冨樫祐一, 羅志偉
    • 学会等名
      定量生物学の会第4回年会
    • 発表場所
      名古屋大学東山キャンパス(愛知県)
    • 年月日
      2012-01-08
  • [学会発表] 階層的な相関関係を定量化する情報理論について2011

    • 著者名/発表者名
      小松崎民樹
    • 学会等名
      「理論と実験」研究会2011
    • 発表場所
      広島大学(広島県)(招待講演)
    • 年月日
      2011-10-07
  • [図書] "Multidimensional Energy Landscapes in Single Molecule Biophysics", Advances in Chemical Physics 1462011

    • 著者名/発表者名
      Akinori Baba, Tamiki Komatsuzaki
    • 総ページ数
      29
    • 出版者
      John-Wiley & Sons
  • [図書] "Single Molecule Biophysics : Experiment and Theory", Advances in Chemical Physics 146 (Eds.)2011

    • 著者名/発表者名
      T.Komatsuzaki, S.Takahashi, M.Kawakami, Haw Yang, Robert Silbey
    • 総ページ数
      512
    • 出版者
      John-Wiley & Sons
  • [備考]

    • URL

      http://www.paradigm-innovation.jp/

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公開日: 2013-06-26  

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