生体機能における時空間階層を繋ぐ選択性と統計性の動的構築原理の創出

2011 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 21340117
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 生物物理・化学物理
• 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) ; 寺本 央 北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (90463728)
• 研究期間 (年度): 2009 – 2011
• キーワード: 1分子計測(SMD) / 化学物理 / 生物物理 / ネットワーク / 生体分子

研究概要

分子機能が熱的に揺らぐ環境の下で如何にしてその選択性を維持しているのか、という問いにおいて、系の位置座標に対して系の速度および熱浴の自由度を包む座標変換を施すことによって、系の反応・構造変化を解析的に予言できること、高エネルギー・高温領域での遷移状態が動的に変化することなどを新規に明らかにした。また、1分子時系列情報から抽出される階層的な状態遷移ネットワークから有効エネルギー地形を定量化する新しい理論を開発した。

研究成果

• [雑誌論文] Dynamic Disorder in Single Enzyme Experiments : Facts and Artifacts (2011)
  • 著者名/発表者名: Tatyana Terentyeva, Hans Engel kamp, Alan Rowan, Tamiki Komatsuzaki, Johan Hofkens, Chun Biu Li, Kerstin Blank
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 6 (1) ページ: 346-354
  • 査読あり
• [雑誌論文] Why and how do systems react in thermally fluctuating environments? (2011)
  • 著者名/発表者名: Shinnosuke Kawai and Tamiki Komatsuzaki
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics (Perspective) 巻: 13 ページ: 21217
  • 査読あり
• [雑誌論文] Decomposability of Multivariate Interactions (2011)
  • 著者名/発表者名: Naoki Miyagawa, Hiroshi Teramoto, Chun-Biu Li and Tamiki Komatsuzaki
  • 雑誌名: Complex Systems 巻: 20 ページ: 165-179
  • 査読あり
• [雑誌論文] Derivation of the Generalized Langevin Equation in Non-stationary environments (2011)
  • 著者名/発表者名: Shinnosuke Kawai and Tamiki Komatsuzaki
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: 134 ページ: 114523-114534
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phase Space Geometry of Dynamics Passing through Saddle Coupled with Spatial Rotation (2011)
  • 著者名/発表者名: Shinnosuke Kawai and Tamiki Komatsuzaki
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: 134 ページ: 084304-084314
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Dynamical Switching of a Reaction Coordinate to Carry the System Through to a Different Product State at High Energies (2011)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Teramoto, Mikito Toda, Tamiki Komatsuzaki
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 106 ページ: 054101-054104
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum Reaction Boundary to Mediate Reactions in Laser Fields (2011)
  • 著者名/発表者名: Shinnosuke Kawai and Tamiki Komatsuzaki
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: 134 ページ: 024317-024329
  • 査読あり
• [雑誌論文] Extracting the Underlying Effective Free Energy Landscape From Single-Molecule Time Series -Local Equilibrium States and their Network (2011)
  • 著者名/発表者名: Akinori Baba and Tamiki Komatsuzaki
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 13 (4) ページ: 1395-1406
  • 査読あり
• [雑誌論文] How does a choice of Markov partition affect the resultant symbolic dynamics? (2010)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Teramoto and Tamiki Komatsuzaki
  • 雑誌名: Chaos 巻: 20 ページ: 037113-037119
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dynamical Reaction Coordinate in Thermally Fluctuating Environments in the Framework of Multidimensional Generalized Langevin Equations (2010)
  • 著者名/発表者名: Shinnosuke Kawai and Tamiki Komatsuzaki
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 12 ページ: 15382-15391
  • 査読あり
• [雑誌論文] Robust existence of are action boundary to separate the fate of a chemical reaction (2010)
  • 著者名/発表者名: Shinnosuke Kawai and Tamiki Komatsuzaki
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 105 ページ: 048304-048307
  • 査読あり
• [雑誌論文] Collectivity at Different Space and Time Scales inMultiscale Protein Dynamics (2010)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Matsunaga, Chun Biu Li, andTamiki Komatsuzaki
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 82 ページ: 016213-016224
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hierarchy of Reaction Dynamics in a Thermally Fluctuating Environment (2010)
  • 著者名/発表者名: Shinnosuke Kawai and Tamiki Komatsuzaki
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 12 ページ: 7626-7635
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonlinear Dynamical Effects on Reaction Rates in Thermally Fluctuating Environments (2010)
  • 著者名/発表者名: Shinnosuke Kawai and Tamiki Komatsuzaki
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 12 ページ: 7636-7647
  • 査読あり
• [雑誌論文] 多自由度Hamilton系における安定/不安定多様体の可能な折り畳みパターンとそれらの力学系の性質との関係 (2010)
  • 著者名/発表者名: 寺本央、小松崎民樹
  • 雑誌名: 双曲型力学系から大自由度力学系へ(数理解析研究所講究録)、京都大学数理解析研究所 巻: 1688 ページ: 26-38
• [雑誌論文] New Quantification of Local Transition Heterogeneity of Multiscale Complex Networks Constructed from Single-Molecule Time Series (2009)
  • 著者名/発表者名: Chun Biu Li, Haw Yang, and Tamiki Komatsuzaki
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry B 巻: 113 (44) ページ: 14732-14741
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dynamic pathways to mediate reactions buried in thermal fluctuations II : numerical illustrations using a model system (2009)
  • 著者名/発表者名: Shinnosuke Kawai and Tamiki Komatsuzaki
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: 131 ページ: 224506-224514
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dynamic pathways to mediate reactions buried in thermal fluctuations. I. Time-dependent normal form theory for multidimensional Langevin equation (2009)
  • 著者名/発表者名: Shinnosuke Kawai and Tamiki Komatsuzaki
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: 131 ページ: 224505-224515
  • 査読あり
• [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、慶応大学
  • 発表場所: 神奈川県
  • 年月日: 2012-03-26
• [学会発表] An information theoretic approach to dynamical irreversibility from time series (2012)
  • 著者名/発表者名: Chun-Biu Li
  • 学会等名: DYNAMICS OF COMPLEX SYSTEMS 2012
  • 発表場所: 北海道大学(札幌市)
  • 年月日: 2012-03-07
• [学会発表] The dynamical origin of reactions : why and how doesa system change its state? (2012)
  • 著者名/発表者名: Tamiki Komatsuzaki
  • 学会等名: DYNAMICS OF COMPLEX SYSTEMS 2012
  • 発表場所: 北海道大学(札幌市)
  • 年月日: 2012-03-07
• [学会発表] Analysis of dynamical systems with large degrees of freedomin terms of hyperbolic invariant manifolds and their breakdown (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Teramoto
  • 学会等名: International symposium on anomalous statistics, generalized entropies, and information geometry NEXT2012Nara
  • 発表場所: 奈良女大
  • 年月日: 2012-03-07
• [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: The2012 WPI-AIMR Annual Workshop
  • 発表場所: Sendai International Center
  • 年月日: 2012-02-22
• [学会発表] 化学反応から生命動態システムへ (2012)
  • 著者名/発表者名: 小松崎民樹
  • 学会等名: 高等研究所研究プロジェクト「諸科学の共通言語としての数学の発掘と数理科学への展開
  • 発表場所: 高等研究所(京都府)
  • 年月日: 2012-01-06
• [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: T. Komatsuzaki
  • 学会等名: 「理論と実験」研究会2011
  • 発表場所: 研究会2011in広島大学
  • 年月日: 2011-10-07
• [学会発表] Spatial Heterogeneity of Multivariate Dependence (2011)
  • 著者名/発表者名: Naoki Miyagawa, Hiroshi Teramoto, ChunBiu Li, Tamiki Komatsuzaki
  • 学会等名: International Conference of Numerical Analysis and Applied Mathematics
  • 発表場所: Greece
  • 年月日: 2011-09-22
• [学会発表] Low-dimensional Description of Complex Many-Body Molecular Systems by Extracting Important Dynamical Modes (2011)
  • 著者名/発表者名: S. Kawai, H. Teramoto, T. Komatsuzaki
  • 学会等名: 14th Asian Chemical Congress
  • 発表場所: The Queen Sirikit National Convention Center (Bangkok)
  • 年月日: 2011-09-08
• [学会発表] Mining an effective Energy landscape of a protein from single molecule time series Telluride Workshop on Protein Dynamics (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Komatsuzaki
  • 発表場所: Telluride, Colorado
  • 年月日: 2011-08-01
• [学会発表] How can we mine effective energy landscapes of proteins from single molecule time series in the violation of local equilibrium and detailed balance? (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Komatsuzaki
  • 学会等名: Telluride Workshop on Exploring energy landscapes, from single molecules to mesoscopic models
  • 発表場所: Telluride, Colorado
  • 年月日: 2011-07-25
• [学会発表] Digging single molecule time series to mine the underlying effective energy landscape (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Komatsuzaki
  • 学会等名: Telluride Workshop on Single Molecule Dynamics
  • 発表場所: Telluride, Colorado
  • 年月日: 2011-06-27
• [学会発表] Mining State Space Network from Single-Molecule Time Series (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Komatsuzaki
  • 学会等名: Telluride Workshop on Complexity of Kinetics and Dynamics in Many Dimension
  • 発表場所: Telluride. Colorado
  • 年月日: 2011-06-20
• [学会発表] Either construction of KS from dwell-time time series, or modeling of QD blinking (2011)
  • 著者名/発表者名: CB Li
  • 学会等名: Telluride Workshop on Complexity of Kinetics and Dynamics in Many Dimension
  • 発表場所: Telluride, Colorado
  • 年月日: 2011-06-20
• [学会発表] 我々は一分子計測から何を読み解くことができるのか? (2010)
  • 著者名/発表者名: 小松崎民樹
  • 学会等名: 理論と実験研究会広島大学大学院理学研究科
  • 発表場所: 広島市
  • 年月日: 2010-10-18
• [学会発表] 法双曲不変多様体崩壊のシナリオ (2010)
  • 著者名/発表者名: 寺本央
  • 学会等名: 力学系研究集会-理論から応用へ、応用から理論へ-、京都大学数理解析
  • 発表場所: 研究所(京都市)
  • 年月日: 2010-09-29
• [学会発表] Robustness and diversity of transitions in a sea of chaos and stochastic fluctuation (2010)
  • 著者名/発表者名: T. Komatsuzaki, C. Li and S. Kawai
  • 学会等名: International Conference of Numerical Analysis and Applied Mathematics
  • 発表場所: Rhodes(Greece)
  • 年月日: 2010-09-24
• [学会発表] When one plus one is more than two : Theoretical challenges in learning from the next generation single-and multiple molecule experiments (2010)
  • 著者名/発表者名: C. Li and T. Komatsuzaki
  • 学会等名: 生物物理学会第48回年会
  • 発表場所: 東北大学川内キャンパス(仙台市)
  • 年月日: 2010-09-20
• [学会発表] The dynamic origin of reactions under thermal fluctuation : true reaction coordinate (2010)
  • 著者名/発表者名: Tamiki Komatsuzaki
  • 学会等名: Telluride Summer Workshop Searching for Reaction Coordinates and Order Parameters
  • 年月日: 2010-06-23
• [学会発表] Energy Landscapes for Single-Molecules (2010)
  • 著者名/発表者名: Tamiki Komatsuzaki
  • 学会等名: Telluride Summer Workshop "Characterizing Landscapes : From Biomolecules to Cellular Networks"
  • 年月日: 2010-06-16
• [学会発表] 熱的に揺らぐ環境下における状態変化の決定性 (2010)
  • 著者名/発表者名: 小松崎民樹
  • 学会等名: 第7回Atomic and Molecular Optics(AMO)討論会セッション「メゾスケール生体分子系の機能発現における運動と揺らぎ」、つくば国際会議場
  • 発表場所: つくば市
  • 年月日: 2010-06-12
• [学会発表] Quantifying the Local Transition Heterogeneity of Multiscale Complex Networks Reconstructed from Single-Molecule Time Series (2009)
  • 著者名/発表者名: Chun Biu Li
  • 学会等名: 第47回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: アスティとくしま
  • 年月日: 2009-11-01
• [学会発表] 「状態変化の数理:化学反応の起源を探る」Dynamics of complexsystems (2009)
  • 著者名/発表者名: 小松崎民樹
  • 学会等名: 2009-複雑系解析における未解決問題への新しい挑戦-
  • 発表場所: 北海道大学、札幌市
  • 年月日: 2009-09-01
• [学会発表] What is the Relevant Information in Modeling the Dynamics of Complex Systems from Measurements? Dynamics of complex systems (2009)
  • 著者名/発表者名: Chun Biu Li
  • 学会等名: 2009-複雑系解析における未解決問題への新しい挑戦
  • 発表場所: 北海道大学、札幌市
  • 年月日: 2009-08-31
• [学会発表] 時系列情報から読み解く数理モデル-生体分子の階層的な構造揺らぎを例に- (2009)
  • 著者名/発表者名: 小松崎民樹
  • 学会等名: 第15回創発システム・シンポジウム創発夏の学校2009
  • 発表場所: インテック大山研修センター、富山市
  • 年月日: 2009-08-09
• [学会発表] Free Energy Landscape for Single Molecule Telluride Workshop on The Complexity of Dynamics and Kinetics in Many Dimensions (2009)
  • 著者名/発表者名: Tamiki Komatsuzaki
  • 学会等名: Telluride
  • 発表場所: CO USA
  • 年月日: 2009-07-02
• [学会発表] Free energy landscape from single molecule time series of biomolecules (2009)
  • 著者名/発表者名: Akinori Baba and Tamiki Komatsuzaki
  • 学会等名: International Symposium on Reaction Dynamics of Many-Body Chemical systems
  • 発表場所: Kyoto Univ
  • 年月日: 2009-06-22
• [学会発表] Exploring Multiscale Complex Network and Effective Free Energy Landscape by using Single-Molecule Time Series (2009)
  • 著者名/発表者名: 小松崎民樹
  • 学会等名: 階層性を持つ大自由度力学系の時系列解析
  • 発表場所: 理研和光キャンパス
  • 年月日: 2009-05-25
• [図書] Multidimensional Energy Landscapes inSingle Molecule Biophysics (2012)
  • 著者名/発表者名: Akinori Baba and Tamiki Komatsuzaki
  • 総ページ数: 146
  • 出版者: John-Wiley & Sons, Inc
• [図書] Single Molecule Biophysics : Experiment and Theory (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Komatsuzaki, S. Takahashi, M. Kawakami, Haw Yang and Robert Silbey(Eds)
  • 総ページ数: 146
  • 出版者: John-Wiley & Sons, Inc.
• [図書] 高次元力学系における輸送現象の理解の広がり:法双曲不変多様体、安定多様体、不安定多様体とその崩壊 (2011)
  • 著者名/発表者名: 寺本央、戸田幹人、小松崎民樹
  • 総ページ数: 12(547-559)
• [図書] Advancing Theory for Kinetics and Dynamics of Complex, Many-Dimensional Systems : Clusters and Proteins (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Komatsuzaki, R. S. Berry, D. M. Leitner (Eds)
  • 総ページ数: 139
  • 出版者: John-Wiley & Sons Inc.
• [図書] Many-Dimensional Systems : Clusters and Proteins Advances in Chemical Physics (2011)
  • 著者名/発表者名: Shinnosuke Kawai and Tamiki Komatsuzaki
  • 総ページ数: 49(346-354)
  • 出版者: Clusters and Proteins Advances in Chemical Physics
• [図書] Ergodic Problems for Real Complex Systems in Chemical Physics in Advancing Theory for Kinetics and Dynamics of Complex, Many-Dimensional Systems (2011)
  • 著者名/発表者名: Tamiki Komatsuzaki, Akinori Baba, Shinnosuke Kawai, Mikito Toda, John E. Straub, R. Stephen Berry
  • 総ページ数: 50(171-221)
  • 出版者: Clusters and Proteins Advances in Chemical Physics
• [図書] Non-Brownian Phase Space Dynamics of Molecules, the Nature of their Vibrational States, and non-RRKM Kinetics in Advancing Theory for Kinetics and Dynamics of Complex, Many-Dimensional Systems (2011)
  • 著者名/発表者名: David M. Leitner, Yasuhiro Matsunaga, Akira Shojiguchi, Chun-Biu Li, Tamiki Komatsuzaki, and Mikito Toda
  • 総ページ数: 40(83-123)
  • 出版者: Clusters and Proteins Advances in Chemical Physics
• [図書] Extracting the Underlying Unique Reaction Scheme from a Single-Molecule Time Series (2010)
  • 著者名/発表者名: C. B. Li and T. Komatsuzaki, Springer
  • 総ページ数: 43(221-264)
  • 出版者: Ueda, Masahiro (Eds.)
• [備考]
  • URL: http://www.es.hokudai.ac.jp/result/item.html?id=1
• [備考]
  • URL: http://mlns.es.hokudai.ac.jp/research/RIES_news.html
• [備考]
  • URL: http://pubs.acs.org/doi/pdfplus/10.1021/nn2050328