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

2006 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: 樺島 祥介 東京工業大学, 大学院総合理工学研究科, 教授 (80260652) ; 木賀 大介 東京工業大学, 大学院総合理工学研究科, 助教授 (30376587) ; 伏見 譲 埼玉大学, 工学部, 教授 (80011641) ; 春木 満 日本大学, 工学部, 助教授 (30273593) ; 染谷 博司 統計数理研究所, 予測制御研究系, 助手 (00333518)
• 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 / 試験管ウィルス / アミノアシル化tRNA合成酵素 / 最適化

研究概要

本研究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組むことを目的とした。
ウエット進化計算の分子実現について、染谷と山村は、タンパク質工学のために「探索が任意のある一点から開始される」確率的最適化の手法を検討した。SAなどの既存手法の分子実現について理論的に考察し、遺伝的アルゴリズムに基づく主要を提案して、計算機実験により有効性を確かめた。
春木はランダム変異およびDNAシャッフリングによる大腸菌リボヌクレアーゼHの耐熱化実験、および大腸菌リポヌクレアーゼHIの耐熱化機構の熱力学的解析を行った。
木賀は構成生物学の立場から、工学一般における部品や作業の標準化という観点から遺伝子工学を改めて見直すことを試みた。部品の標準化に役立つフォーマットを提案し、実際に条件判定を行うためのパーツを構築してAND論理演算が可能であることを示した。さらに、Tokyo Allianceと称するチームを率いて、第3回国際人工遺伝子回路コンテストに参加し、最優秀部品賞、最優秀共同作業賞のふたつを受賞した。
進化リアクタの作成では、伏見は、mRNAの5'末端と、蛋白質のN末端付近を結合したin vitroウイルスを作製した。また、等温核酸増幅進化リアクタープロセスによるプロモーターの進化を実現した。
理論解析では、樺島は、多数のユニットが複雑に結合した系を数理的に解析する方法論について研究した.特に平均場近似のための効率的な数値最適化アルゴリズムを開発し、3体スピングラス模型で最近提唱された理論予想を支持する結果を得た。

研究成果

• [雑誌論文] 分子計算のための一点から開始される探索法 (2007)
  • 著者名/発表者名: 染谷博司, 山村雅幸, 坂本健作
  • 雑誌名: 人工知能学会誌(J-STAGE) 22・4(採録)
• [雑誌論文] Promising Search Regions of Crossover Operators for Function Optimization (2007)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Someya
  • 雑誌名: Proc. IEA/AIE 2007 (採録)
• [雑誌論文] Selection-by-function : efficient enrichment of cathepsin E inhibitors from a DNA library (2007)
  • 著者名/発表者名: Naimuddin M, Kitamura K., Kinoshita Y, Honda-Takahashi, Y., Murakami, M., Ito, M., Yamamoto, K., Hanada, K., Husimi, Y., Nishigaki, K.
  • 雑誌名: J. Mol. Recognition, published online (On line)
• [雑誌論文] Experimental Rugged Fitness Landscape in Protein Sequence Space (2007)
  • 著者名/発表者名: Hayashi, S., Aita, T., Toyota, H., Husimi, Y., Urabe, I., Yomo, T.
  • 雑誌名: PLoS ONE (accepted)
• [雑誌論文] Extracting characteristic properties of fitness landscape from in vitro evolution : A case study on infectivity of fd phage to E. coli (2007)
  • 著者名/発表者名: Aita, T., Hayashi, S., Toyota, H., Husimi, Y., Urabe, I, Yomo, T.
  • 雑誌名: J. Theor. Biol. (accepted)
• [雑誌論文] Numerical study of Thouless-Anderson-Palmer metastable states in three-body Ising spin glasses (2007)
  • 著者名/発表者名: Y.Tonosaki, K.Takeda, Y.Kabashima
  • 雑誌名: Phys. Rev. B (掲載予定)
• [雑誌論文] Biofilm formation by a Bacillus subtilis strain that produces gamma-polyglutamate (2006)
  • 著者名/発表者名: Morikawa, M., Kagihiro, S., Haruki, M., Takano, K., Branda, S., Kolter, R., Kanaya, S.
  • 雑誌名: Microbiology 152 ページ: 2801-2807
• [雑誌論文] A Hyperthermophilic Protein Acquires Function at the Cost of Stability (2006)
  • 著者名/発表者名: Mukaiyama, A., Haruki, M., Ota, M., Koga, Y., Takano, K., Kanay, a S.
  • 雑誌名: Biochemistry 45 ページ: 12673-12679
• [雑誌論文] Modified substrate specificity of pyrroloquinoline quinone glucose dehydrogenase by biased mutation-assembling with optimized amino acid substitution (2006)
  • 著者名/発表者名: Hamamatsu, N., Suzumura, A., Nomiya, Y., Sato, M., Aita, T., Nakajima, M., Husimi, Y., Shibanaka, Y.
  • 雑誌名: Applied Microbiology and Biotechnology 73 ページ: 607-617
• [雑誌論文] Accumulation of amino acid substitutions for thermostabilization of lactate oxidase with less deterioration of catalytic activity (2006)
  • 著者名/発表者名: Hamamatsu, N., Nomiya, Y., Aita, T., Nakajima, M., Husimi, Y., Shibanaka, Y
  • 雑誌名: Protein Eng. Design and Selection 19 ページ: 483-489
• [雑誌論文] Solid-phase translation and RNA-protein fusion : a novel approach for folding quality control and direct immobilization of protein using anchored mRNA (2006)
  • 著者名/発表者名: Biyani, M., Husimi, Y., Nemoto, N.
  • 雑誌名: Nucleic Acids Res. Advanced publication online (On line)
• [雑誌論文] 実験室内分子進化過程の熱力学的および情報論的解釈 (2006)
  • 著者名/発表者名: 相田 拓洋, 伏見 譲
  • 雑誌名: 生物物理 46 ページ: 137-143
• [雑誌論文] Analysis of CDMA systems that are characterized by eigenvalue spectrum (2006)
  • 著者名/発表者名: K.Takeda, S.Uda, Y.Kabashima
  • 雑誌名: Europhysics Letters 76 ページ: 1193-1199
• [雑誌論文] Tutorial on Brain-Inspired Computing part 5 : Statistical Mechanics of Communication and Computation (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Kabashima
  • 雑誌名: New Generation Computing 24 ページ: 403-420
• [雑誌論文] Survey propagation for the cascading Sourlas code (2006)
  • 著者名/発表者名: JPL.Hatchet, Y.Kabashima
  • 雑誌名: JOURNAL OF PHYSICS A-MATHEMATICAL AND GENERAL 39・34 ページ: 10659-10672