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2008 年度 実績報告書

生体分子機能および化学反応網における選択性と統計性のダイナミックス基盤の創生

研究課題

研究課題/領域番号 18340124
研究機関北海道大学

研究代表者

小松崎 民樹  北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (30270549)

研究分担者 李 振風  北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (90397795)
馬場 昭典  北海道大学, 電子科学研究所, 博士研究員 (50397840)
キーワード化学反応ダイナミックス / 法双曲的不変多様体 / カオス力学系 / 遷移状態 / 一分子計測 / 複雑ネットワーク
研究概要

局所平衡や詳細釣り合いを前提とせず、生体分子が持つ"動的な"状態およびそれらをつなぐ時空間スケールをまたがる階層的なネットワークを時系列情報から再構成する方法論を開発した。この方法論では、与えられた時系列をある長さの(時系列)断片に分解し、「与えられた時系列に沿って次に現れる断片(未来配列)の情報を予測するうえで、どれくらいの長さの過去配列の情報を必要とするか?」を問い、その長さを同定し「状態」を同じ遷移確率分布をもつ時系列断片の集合として定義する。定義から、すべての断片は固有の遷移確率分布を持つひとつの状態に帰属することになるので、分子記憶を自然に取り込んだ状態を繋ぐ状態遷移ネットワークを構成することができる。1分子観察されたフラビン還元酵素の構造揺らぎの時系列(Yang,H. et.al. Science 302, 262(2003))に我々の方法論を適用し、(1)ブラウン拡散の時間領域に近づくにつれて、ネットワークがコンパクトになるとともに、ノード(状態)当たりのリンク数が増大し、状態遷移ネットワークのもつ多様性が減少すること、(2)異常拡散を示す時間領域において、状態間遷移をマルコフ過程と見做すために、ある有限の長さの時系列断片から状態を定義する必要があること、すなわち、局所平衡に基づくマクロな意味のネットワーク描像はこの短時間領域においては成り立たないこと、(3)通常拡散を呈する時間領域においては、より少数の状態から構成され、「過去の履歴を伴う必要のない局所平衡概念に基づく通常の準安定状態」として解釈されること、などが新規に時系列情報から読み取ることができることを明らかにした。このほか、多自由度力学系のポテンシャル井戸内の反応自由度-熱浴自由度の間のエネルギー移動を支配する不変構造残骸を検出する手法の開発や高次元力学系における(再交差挙動を与えない)厳密な遷移状態の分岐現象を初めて明らかにすることに成功した。

  • 研究成果

    (46件)

すべて 2009 2008 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (41件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Bifurcation of no-return transition states in many-body chemical reactions2009

    • 著者名/発表者名
      C. Li, M. Toda and T. Komatsuzaki
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Physics 130

      ページ: 124116-124122

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Probing Remnants of Invariants to Mediate Energy Exchange in Highly-Chaotic Many-dimensional Systems2008

    • 著者名/発表者名
      H. Teramoto and T. Komatsuzaki
    • 雑誌名

      Physical Review E 78

      ページ: 017202(4)

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Exploring Remnant of Invariants Buried in a Deep Potential Well in Chemical Reactions2008

    • 著者名/発表者名
      H. Teramoto and T. Komatsuzaki
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Physics 129

      ページ: 094302(9)

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Multiscale Complex Network of Protein Conformational Fluctuation Buried in Single Molecule Time Series2008

    • 著者名/発表者名
      C. Li, H. Yang and T. Komatsuzaki
    • 雑誌名

      Proceedings of National Academy of Sciences USA 105

      ページ: 536-541

    • 査読あり
  • [学会発表] Data-driven time series analysis of Mechanosensitive ion channel gating dynamics (Poster)2009

    • 著者名/発表者名
      K. Sei, C. Li, T. Nomura, H. Tatsumi and T. Komatsuzaki
    • 学会等名
      6th Asian Biophysics Association (ABA) Symposium & 27th Hong Kong Society of Neuroscience Annual Meeting
    • 発表場所
      Hong Kong University of Science and Technology Hong Kong, China
    • 年月日
      20090111-12
  • [学会発表] 熱揺らぎ環境下における化学反応の偶然と必然(口頭発表)2009

    • 著者名/発表者名
      河合信之輔、小松崎民樹
    • 学会等名
      日本化学会第89春季年会
    • 発表場所
      日本大学理工学部船橋キャンパス(千葉県船橋市)
    • 年月日
      2009-03-28
  • [学会発表] Exploring remnants of invariants buried in a deep potential well in chemical reactions (invited talk)2009

    • 著者名/発表者名
      T. Komatsuzaki
    • 学会等名
      Focus Session : The Transition State in Physics, Chemistry, and Astrophysics, APS Meeting
    • 発表場所
      David L. Lawrence Convention Center Pittsburgh, PA, USA
    • 年月日
      2009-03-19
  • [学会発表] Multiscale Networks of Interacting Biological Systems : From netwbrk constructions to causality among them (poster)2009

    • 著者名/発表者名
      C. Li
    • 学会等名
      Sapporo Winter School, Hokkaido University
    • 発表場所
      Hokkaido University, Sapporo, Japan
    • 年月日
      2009-02-12
  • [学会発表] Folding patterns of stable / unstable manifolds in high dimensional dynamical systems (poster)2009

    • 著者名/発表者名
      H. Teramoto
    • 学会等名
      Sapporo Winter School, Hokkaido University
    • 発表場所
      Hokkaido University, Sapporo, Japan
    • 年月日
      2009-02-12
  • [学会発表] Complex multi-scale networks of protein fluctuation dynamics from single-molecule time series (oral)2009

    • 著者名/発表者名
      C. Li
    • 学会等名
      6th Asian Biophysics Association (ABA) Symposium & 27th Hong Kong Society of Neuroscience Annual Meeting
    • 発表場所
      Hong Kong University of Science and Technology Hong Kong, China
    • 年月日
      2009-01-12
  • [学会発表] Multidimensional energy landscape from single molecule time series(poster)2008

    • 著者名/発表者名
      A. Baba and T. Komatsuzaki
    • 学会等名
      Institute for Protein Research Seminar on New Approaches to Complexity of Protein Dynamics by Single Molecule Measurements : Experiments and Theories
    • 発表場所
      Institute for Protein Research, Osaka University Suita, Osaka, Japan
    • 年月日
      20081207-09
  • [学会発表] Denatured state dynamics of cytochrome c551 observed by single molecule fluorescence intensity measurements (poster)2008

    • 著者名/発表者名
      K. Fujimoto, M. Kinoshita, K. Kamagata, Y. Goto, Y. Sambongi, A. Baba, T. Komatsuzaki and S. Takahashi
    • 学会等名
      Institute for Protein Research Seminar on New Approaches to Complexity of Protein Dynamics by Single Molecule Measurements : Experiments and Theories
    • 発表場所
      Institute for Protein Research, Osaka University Suita, Osaka, Japan
    • 年月日
      20081207-09
  • [学会発表] Toward the understanding of the gating dynamics for the Mechanosensitive ion channel (poster)2008

    • 著者名/発表者名
      K. Sei, C. Li and T. Komatsuzaki
    • 学会等名
      Institute for Protein Research Seminar on New Approaches to Complexity of Protein Dynamics by Single Molecule Measurements: Experiments and Theories
    • 発表場所
      Institute for Protein Research, Osaka University Suita, Osaka, Japan
    • 年月日
      20081207-09
  • [学会発表] Elucidation of mode-selectivity of biomolecule (poster)2008

    • 著者名/発表者名
      H. Teramoto and T. Komatsuzaki
    • 学会等名
      Institute for Protein Research Seminar on New Approaches to Complexity of Protein Dynamics by Single Molecule Measurements : Experiments and Theories
    • 発表場所
      Institute for Protein Research, Osaka University Suita, Osaka, Japan
    • 年月日
      20081207-09
  • [学会発表] Data-driven Modeling of Single Mechanosensitive Ion Channels from Time Series Analysis (invited talk)2008

    • 著者名/発表者名
      C. Li
    • 学会等名
      Institute for Protein Research Seminar on New Approaches to Complexity of Protein Dynamics by Single Molecule Measurements : Experiments and Theories
    • 発表場所
      Institute for Protein Research, Osaka University Suita, Osaka, Japan
    • 年月日
      2008-12-09
  • [学会発表] What can we learn about the mechanism of complexity in kinetics and dynamics from scalar time series? (invited talk)2008

    • 著者名/発表者名
      T. Komatsuzaki
    • 学会等名
      Institute for Protein Research Seminar on New Approaches to Complexity of Protein Dynamics by Single Molecule Measurements : Experiments and Theories
    • 発表場所
      Institute for Protein Research, Osaka University Suita, Osaka, Japan
    • 年月日
      2008-12-07
  • [学会発表] Understanding the Multiscale Dynamics of Complex Biological Systems from Single Molecule Exneriments (招待講演)2008

    • 著者名/発表者名
      C.Li
    • 学会等名
      第46回日本生物物理学会シンポジウム「レア・イベント・から創薬へ」岐阜大学桑田一夫氏、東京大学分子細胞生物学研究所北尾彰朗氏主催)
    • 発表場所
      福岡国際会議場(福岡市)
    • 年月日
      2008-12-05
  • [学会発表] 生体分子のモード選択性の解明(ポスター発表)2008

    • 著者名/発表者名
      寺本央
    • 学会等名
      第46回日本生物物理学会
    • 発表場所
      福岡国際会議場(福岡市)
    • 年月日
      2008-12-05
  • [学会発表] 局所平衡状態解析 : 一分子観測時系列から自由エネルギー地形を読み取るポスター発表)2008

    • 著者名/発表者名
      馬場昭典、小松崎民樹
    • 学会等名
      日本生物物理学会
    • 発表場所
      福岡国際会議場(福岡市)
    • 年月日
      2008-12-05
  • [学会発表] 一分子測定法を用いた緑濃菌由来シトクロムcの変性状態内の運動観察(ポスター発表)2008

    • 著者名/発表者名
      藤本和也、木下雅仁、鎌形清人、三本木至宏、馬揚昭典、小松崎民樹、高橋聡
    • 学会等名
      日本生物物理学会
    • 発表場所
      日本生物物理学会
    • 年月日
      2008-12-05
  • [学会発表] 機械受容イオンチャネルの統計的解析-ゲーティング機構の解明に向けて-(ポスター)2008

    • 著者名/発表者名
      清一人、馬揚昭典、李振風、小松崎民樹
    • 学会等名
      第46回亘本生物物理学会
    • 発表場所
      福岡国際会議場(福岡市)
    • 年月日
      2008-12-04
  • [学会発表] Multiscale Complex Network and Effective Free Energy Landscape Extracted from Single-Molecule Time Series (invited talk)2008

    • 著者名/発表者名
      T. Komatsuzaki
    • 学会等名
      Symposium on Linking single molecule spectroscopy and energy landscape perspectives, organized at 46th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
    • 発表場所
      福岡国際会議場(福岡市)
    • 年月日
      2008-12-03
  • [学会発表] 1分子計測から読み解く状態遷移ネットワーク〜機械受容型イオンチャネルMscLを例に〜(招待講演)2008

    • 著者名/発表者名
      清一人、馬場昭典、李振風、小松崎民樹
    • 学会等名
      第46回日本生物物理学会シンポジウム「イオンチャネルゲーティングのダイナミクスをイメージする」(福井大学老木成稔氏、名古屋大学曽我部正博氏主催)
    • 発表場所
      福岡国際会議場(福岡市)
    • 年月日
      2008-12-03
  • [学会発表] On the search of new mathematical frameworks to unveil the multiscale dynamics of complex systems (invited talk)2008

    • 著者名/発表者名
      C. Li
    • 学会等名
      Workshop on Interfacial dynamics on the boundaries of physics, chemistry, biology and mathematics
    • 発表場所
      Hokkaido University Sapporo, Japan
    • 年月日
      2008-11-20
  • [学会発表] Folding patterns of stable / unstable manifolds in multi-dimensional systems(invited talk)2008

    • 著者名/発表者名
      H. Teramoto
    • 学会等名
      Workshop on Interfacial dynamics on the boundaries of physics, chemistry, biology and mathematics
    • 発表場所
      Hokkaido University Sapporo, Japan
    • 年月日
      2008-11-20
  • [学会発表] 1分子時系列情報から我々は何を読み解くことができるのか?(招待講演)2008

    • 著者名/発表者名
      小松崎民樹
    • 学会等名
      ポストシリコン物質・デバイス創製基盤技術アライアンス-G3「ナノ分子メカニクス・バイオメカニクス」グループ分科会
    • 発表場所
      ホテル阪急エキスポパーク(大阪府吹田市)
    • 年月日
      2008-10-17
  • [学会発表] Reaction dynamics in condensed phase-Determinacy of the, reaction in a noisy environment-(poster)2008

    • 著者名/発表者名
      S. Kawai and T. Komatsuzaki
    • 学会等名
      STER5ODYNAMICS 2008
    • 発表場所
      Bayshore Hotel Dalian Dalian, China
    • 年月日
      2008-10-15
  • [学会発表] Dimension reduction for the analyses of reaction dynamics of O(1^D)+N_2O NO+NO (hot topic talk)2008

    • 著者名/発表者名
      S. Kawai, C. Li, T. Komatsuzaki, T. Yamashita, Y. Fuiimura and M. Toda
    • 学会等名
      STEREODYNAMICS 2008
    • 発表場所
      Bayshore Hotel Dalian Dalian, China
    • 年月日
      2008-10-15
  • [学会発表] 液相反応の動力学-熱浴下における反応の決定性(口頭発表)2008

    • 著者名/発表者名
      河合信之輔、小松崎民樹
    • 学会等名
      第二回分子科学討論会
    • 発表場所
      福岡国際会議場(福岡市)
    • 年月日
      2008-09-27
  • [学会発表] 1分子時系列情報から読み解く生体機能の階層構造(招待講演)2008

    • 著者名/発表者名
      小松崎民樹
    • 学会等名
      第64回日本物理学会
    • 発表場所
      岩手大学上田キャンパス(盛岡市)
    • 年月日
      2008-09-20
  • [学会発表] 符号化可能力学系の時系列からMarkov分割を構成する方法論および異なるMarkov分割から構成されるMarkov確率過程間の関係に関する研究(ポスター発表)2008

    • 著者名/発表者名
      寺本央、小松崎民樹
    • 学会等名
      第64回日本物理学会
    • 発表場所
      岩手大学上田キャンパスφ(盛岡市)
    • 年月日
      2008-09-20
  • [学会発表] 1分子計測から読み解く状態遷移ネットワーク-機械受容チャネルを例に(招待講演)2008

    • 著者名/発表者名
      小松崎民樹
    • 学会等名
      生理研研究会「膜機能分子ダイナミクスの分子機構解明に向けて」
    • 発表場所
      分子科学研究所(岡崎市)
    • 年月日
      2008-09-05
  • [学会発表] An information-theoretic Approach to unveil the Multiscale Dynamics of Biophysical Systems : Information Flows among Different Scales(招待講演)2008

    • 著者名/発表者名
      李振風
    • 学会等名
      Dynamics of complex systems 2008--数学的予測方式の可能性と諸分野からのニーズ
    • 発表場所
      北海道大学(札幌市)
    • 年月日
      2008-09-02
  • [学会発表] 化学反応や生体高分子の構造転移における「偶然と必然」の数理を探る(招待講演)2008

    • 著者名/発表者名
      小松崎民樹
    • 学会等名
      Dynamics of complex systems 2008--数学的予測方式の可能性と諸分野からのニーズ
    • 発表場所
      北海道大学(札幌市)
    • 年月日
      2008-09-01
  • [学会発表] Toward Understanding of Dynamical Origin of Mode-Selectivity in Complex Systems (poster)2008

    • 著者名/発表者名
      H. Teramoto and T. Komatsuzaki
    • 学会等名
      The 2nd International Symposium on Molecular Theory for Real Systems
    • 発表場所
      Institute for Molecular Schience, Okazaki, Japan
    • 年月日
      2008-08-04
  • [学会発表] 時系列情報から読み取る数理モデル-生体分子の構造揺らぎを例に(招待講演)2008

    • 著者名/発表者名
      小松崎民樹
    • 学会等名
      特定領域研究「移動知」A班+D班の合同班会議
    • 発表場所
      北海道大学(札幌市)
    • 年月日
      2008-07-23
  • [学会発表] 生体分子系における化学反応の選択性と統計性の原理的理解招待講演)2008

    • 著者名/発表者名
      寺本央、小松崎民樹
    • 学会等名
      特定領域研究「高次系分子科学」第2回ミニ公開シンポジウム(神戸大学)
    • 発表場所
      神戸大学(神戸市)
    • 年月日
      2008-07-12
  • [学会発表] 生体分子における選択性の原理的理解(ポスター発表)2008

    • 著者名/発表者名
      寺本央
    • 学会等名
      第48回生物物理若手の会夏の学校
    • 発表場所
      八王子セミナーハウス(八王子市)
    • 年月日
      2008-07-09
  • [学会発表] Extracting Multiscale Complex Network of Protein Fluctuation from Single-Molecule Time Series (invited talk)2008

    • 著者名/発表者名
      T. Komatsuzaki
    • 学会等名
      Telluride Summer Workshop "Characterizing Landscapes : From Biomolecules to Cellular Networks"
    • 発表場所
      TellurideScience Research Center Telluride, USA
    • 年月日
      2008-07-09
  • [学会発表] Several properties of entanglement and intersection : between stable and unstable manifold emanating from normally hyperbolic invariant manifold(oral)2008

    • 著者名/発表者名
      H. Teramoto and T. Komatsuzaki
    • 学会等名
      Kyoto Dynamics Days 7 (KDD7)
    • 発表場所
      Kyoto University Kyoto, Japan
    • 年月日
      2008-06-26
  • [学会発表] 1分子時系列情報から生体分子機能の複雑さを解読する(招待講演)2008

    • 著者名/発表者名
      小松崎民樹
    • 学会等名
      分子研シンポジウム2008
    • 発表場所
      分子科学研究所(岡崎市)
    • 年月日
      2008-06-14
  • [学会発表] Uncovering the Phase Space Geometry of Reaction Dynamics (口頭発表)2008

    • 著者名/発表者名
      李振風、戸田幹人、小松崎民樹
    • 学会等名
      化学反応討論会
    • 発表場所
      北海道大学(札幌市)
    • 年月日
      2008-06-04
  • [学会発表] 反応O(1^D)+N_2O→NO+NOの相空間構造の解析(ポスター発表)2008

    • 著者名/発表者名
      河合信之輔、李振風、小松崎民樹、山下雄史、藤村陽、戸田幹人
    • 学会等名
      化学反応討論会
    • 発表場所
      北海道大学(札幌市)
    • 年月日
      2008-06-03
  • [学会発表] Construction of an Effective Free Energy Landscape from Single-Molecule Time Series(invited talk)2008

    • 著者名/発表者名
      T. Komatsuzaki
    • 学会等名
      1st Annual Protein and Peptide Conference, BIT's 4th Life Spring Forum on protein folding and diseases -celebrating 60 years of Prof. Scheraga's science (1948-2008)
    • 発表場所
      Shenzhen Convention & Exhibition Center Shenzen, China
    • 年月日
      2008-04-23
  • [学会発表] Capturing the Multiple-Time-Scale Dynamical State-Space-Network in the Time Series of Single Molecule Exneriment(Doster)2008

    • 著者名/発表者名
      C. Li and T. Komatsuzaki
    • 学会等名
      1st Annual Protein and Peptide Conference
    • 発表場所
      Shenzhen Convention & Exhibition Center Shenzen, China
    • 年月日
      2008-04-23
  • [備考] 研究室HP

    • URL

      http://mlns.es.hokudai.ac.jp/index_j.html

URL: 

公開日: 2010-06-11   更新日: 2016-04-21  

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