ナチュラルコンピューティングの分子実現とその設計論

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14085203
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 山村 雅幸 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 教授 (00220442)
• 研究分担者: 太田 元規 東京工業大学, 学術国際情報センター, 助教授 (40290895) ; 新田 克己 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 教授 (60293073) ; 樺島 祥介 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 教授 (80260652) ; 染谷 博司 統計数理研究所, 予測制御研究系, 助手 (00333518) ; 伏見 譲 埼玉大学, 工学部, 教授 (80011641) ; 喜多 一 京都大学, 学術情報メディアセンター, 教授 (20195241) ; 坂本 健作 東京大学, 大学院・理学系研究科, 助手 (50240685)
• キーワード: DNAコンピューティング / 遺伝的アルゴリズム / 統計物理 / 分子進化 / シミュレーション / アミノアシル化tRNA合成酵素 / 試験管ウィルス / 適応度地形

研究概要

遺伝的アルゴリズム(GA)、焼きなまし法(SA)など生命・自然現象に啓発された計算技法をナチュラルコンピューティングといい、様々な分野で一定の成功を収めているが、生命科学との関わりは一方的なアイデアの借用に留まる。一方、生命科学ではこれとは独立に生命・自然現象に起源を持つ概念を日常的に用いており、変異と選択によって望みの分子を設計する分子進化工学は、確立した分野として成果をあげている。本課題の目的は、分子計算によって培われた情報科学・生命科学の協力体制によって、分子進化という同一の課題に取り組むことにある。前年度に引き続き、2つの具体的対象のそれぞれについて、実験・理論両面から接近した。
(1)aaRSの基質特異性の進化的改変について
(a)進化実験系を構築する。遺伝的アルゴリズム(GA)との整合性を高めるため、繰返しスクリーニング(選択)を行うことで、弱いながら活性を持つ酵素を進化させた。
(b)進化計算としての困難さを反映するように適応度地形の形状特性のみを一致させたモデルに対して、進化実験系の試験データをもとにモデルのパラメータチューニングを行った。
(2)ワンポット分子進化系の構築について
a)分子人工生命としての試験管ウイルスを構築した。3SR法により核酸部分を増幅して作ったDNAウイルス粒子を用いて、自然淘汰式進化リアクターを継代植継ぎ法でエミュレートする。植継ぎ時に人為淘汰式を加味しつつタンパク質部分の評価を行う。前年度に提案した方法の改良を行った。
(b)生体高分子の大域的適応度地形と地形中腹の性質の理論的調査を行った。適応度地形上のランダムウォークについて統計力学的解析を行った。

研究成果

• [文献書誌] 山村雅章: "ウェット進化計算"別冊数理科学「分子コンピューティング」特集号. (印刷中). (2004)
• [文献書誌] Y.Kabashima: "A CDMA multiuser detection algorithm on the basis of belief propagation"Journal of Physics. A36. 11111 (2003)
• [文献書誌] T.Aita, M.Ota, Y.Husimi: "An in silico exploration of the neutral network in protein sequence space"Journal of Theoretical Biology. 221. 599-613 (2003)
• [文献書誌] Kobayashi T, Sakamoto K, Yokoyama S 他4名: "Structural basis for orthogonal tRNA specificities of tyrosyl-tRNA synthetases for genetic code expansion"Nature Structural Biology. 10. 425-432 (2003)
• [文献書誌] Aita T., Husimi Y.: "Thermodynamical Interpretation of Adaptive Walk on a Mt.Fuji-type Fitness Landscape : Einstein's Relation-like Formula holds in a Stochastic Evolution"Journal of Theoretical Biology. 225. 215-228 (2003)
• [文献書誌] 染谷博司: "グリッド環境に適した遺伝的アルゴリズムに関する考察とその実現"電気学会 電子・情報・システム部門大会2003講演論文集. 435-439 (2003)