蛋白質等のヘテロ高分子の設計問題に関する理論的研究

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12740235
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 時田 恵一郎 大阪大学, サイバーメディアセンター, 助教授 (00263195)
• キーワード: 蛋白質 / 進化 / 大自由度 / 非線形 / 力学系

研究概要

タンパク質などのヘテロ高分子モデルにおける、折り畳み問題と、それとは逆に、ある蛋白質の機能に対応する立体構造へと安定に折り畳むアミノ酸配列を探す設計問題(=逆折り畳み問題)に関する研究を行った。ヘテロ高分子の設計問題は、新薬開発、分子機械開発、機能性材料開発など巨大な応用分野に関わる重要な問題であるが、これまでは、経験論的な方法でしか扱われて来なかった。蛋白質における相同配列の存在からも明らかなように、ある立体構造へと折り畳む配列は一つとは限らず、一般に逆折り畳み問題は複数の解を持つ(解がない場合もある)。解の個数は、設計の容易さに関係するので、デザイナビリティと呼ばれている。それは、ランダムな配列から正しい配列への進化的な到達のし易さでもあり、蛋白質の進化的安定性にも関係する。折り畳み問題と同様に、逆折り畳み問題も、モノマー数が増大すると可能な配列の数が爆発してしまい、単純なしらみづぶしで解を得ることは不可能になる。これがこれまで設計問題を原理的に扱う方法の研究がほとんど行われて来なかった理由である。本課題においては、逆折り畳み問題を効率的に解く全く新しいアルゴリズムを開発し、これが従来のシミュレーテッドアニーリングと同等かそれ以上の効率を示すことを検証した。蛋白質の天然構造の進化に関しては、遺伝アルゴリズムのような進化アルゴリズムの効率が解の多様性の維持に関係していることから、一般的な進化ダイナミクスを表現する方程式(Replicator方程式系)における種の多様性維持のメカニズムについて新しい知見を得、理論生態学、集団遺伝学との関連を明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] K.Tokita, M.Kikuchi, Y.Iba: "Dynamical Equation Approach to Protein Design"Progress of Theoretical Physics Supplement. 138. 537-538 (2000)
• [文献書誌] Kei Tokita: "Dynamics of diversity : Take the "A" train to the realm of biodiversity"第10回数理生物学シンポジウム予稿集. 18-18 (2000)
• [文献書誌] 時田恵一郎: "蛋白質のデザインおよび進化:生命と物質の間のボトルネックを抜ける"物性研究. 76. 134-145 (2001)
• [文献書誌] 時田恵一郎: "「はい、複雑な生態系が安定な場合はあります」-30年来の「生態学のパラドックス」への解答-"計測自動制御学会第23回システム工学部会研究会「オープンダイナミックスの諸相」論文集. 22-32 (2001)
• [文献書誌] 時田恵一郎: "多様性のダイナミクス"物性研究. 77-3. 515-523 (2001)
• [文献書誌] T.Chawanya, K.Tokita: "Large-Dimensional Replicator Equations with Antisymmetric Random Interactions"Journarl of Physical Soceiety of Japan. 71-2. 429-431 (2002)
• [文献書誌] 時田恵一郎: "複雑さの数理(共訳;3, 6章担当)"産業図書. 95 (2001)