機械学習を用いた水溶液にひそむ動的秩序の抽出

2012 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 24700145
• 研究種目: 若手研究(B)
• 研究機関: 北陸先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: DAM HieuChi 北陸先端科学技術大学院大学, 知識科学研究科, 准教授 (70397230)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: シミュレーション / データマイニング

研究概要

本研究は “MDシミュレーション”、”データマイニング”、”物理・生物的解釈と評価”のプロセスからなり、水和水の定量的な評価方法の手法確立する為に、24年度にデータマイニング・MDシミュレーションの融合(DM/MD融合法)による解析手法の最適化と生体系シミュレーションへの適用と水和水の定量的評価を遂行した。
- データマイニング・MDシミュレーションの融合(DM/MD融合法)による解析手法の最適化
DM/MD融合法は教師無し学習法(クラスタリング)によって大規模シミュレーションで再現された膨大な水分子の振る舞いの個別認識・分類方法を確立した。その成果を基に水分子・クラスターとタンパク質のダイナミクスを記述・解析する為に最適な方法論を決定した。
- 生体系シミュレーションへの適用と水和水の定量的評価
本研究では溶液ダイナミクスの普遍性を担保する為、Barstar(PDBID:1BTA)・Barnaseタンパク質 (PDBID:1BNJ)・合成タンパク質(PDBID:1PSV)など様々なタンパク質を対象としたシミュレーションを行い、その結果から得れらたデータを利用し、様々な系、温度での変化を探った。確立したDM/MD融合法を水溶液中のタンパク質MDシミュレーションに対して施し、水和水/バルク水に関してこれまでの枠組みを超えた詳細なレベルで分類・解析を行った。学習結果から樹形図の作成などによって水和水・バルク水共により詳細な分類を行い、定量的な水分子集団の数学的表現を行った。得られた研究成果は現在雑誌論文を作成中である。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究では古典MDシミュレーション並びに第一原理シミュレーションを行う必要があるが、申請者は既に十分な経験を有しているため、データ生成に関しては当初の計画通りに進んでいる。また、データマイニングではデータの実空間から特徴空間への射影が極めて重要なプロセスであり、本課題解決には申請者のこれまでの研究経験と共に研究協力者の協力を得て、生物学的・物理学的視点やノウハウを活用し遂行する事で最適な写像を設計することに成功した。

今後の研究の推進方策

当初の研究計画通り、前年度の研究成果を拡張し、下記の課題に着手する。
- DM/MD法による溶媒水分子の定量的な分類と溶液構造の新規解釈
前年度の研究で水溶液中のタンパク質に対して行った古典MDと、より小規模な系で行う第一原理MDのシミュレーション結果を比較検証し、特に水素結合ネットワークと溶媒水分子のクラスターの自由度について妥当性を検証する。これまでに様々なノウハウがある実空間での距離、角度といった水素結合ネットワークやクラスター構造の解釈をもとに教師付き学習によるデータマイニングを実行し、特徴空間での水分子間のネットワーク構造を明らかにする。このデータマイニングによって目視の延長線上にある実空間でのネットワーク構造のみならず、カオスや複雑現象に埋もれた水分子間の構造と発生メカニズムを発見する。
- 溶媒ダイナミクスからのタンパク質ダイナミクスの理解
水溶液中のBarstar遺伝子(PDBID:1BTA)・Barnase遺伝子(PDBID:1BNJ)及びそのドッキング構造のMDシミュレーションを行い、タンパク質がドッキング構造を取った場合の水溶液ダイナミクスの変化を確認する。本研究ではこの逆問題として「水溶液のダイナミクス変化からタンパク質間相互作用の有無やタンパク質のコンフォメーション変化を伴うダイナミクスの予測」を課題に設定し、ここまでの成果を用いて相関ルール(association rule)を採掘する。

次年度の研究費の使用計画

国際学会参加
（招待講演）The 7th Conference of the Asian Consortium on Computational Materials Science (ACCMS-7),
July 23-28, 2013, Nakhon Ratchasima, Thailand.
（一般参加）The Second Asian Conference on Information Systems (ACIS 2013),
October 31 - November 2, 2013, Phuket, Thailand.

研究成果

• [学会発表] データマイニングによる塩水濃度と水溶液の動的構造に関する研究 (2012)
  • 著者名/発表者名: 杉山 歩，中村 大城，山口 和宏，水上 卓，Dam Hieu Chi, Ho Tu Bao
  • 学会等名: 第6回分子科学討論会
  • 発表場所: 東京大学本郷キャンパス
  • 年月日: 20120918-20120921
• [学会発表] 混合分布モデルをもちいた水分子のマイニング-ダイナミックス (2012)
  • 著者名/発表者名: 水上卓、杉山歩、山口和宏、Dam Hieu Chi、Ho Tu Bao
  • 学会等名: 第6回分子科学討論会
  • 発表場所: 東京大学本郷キャンパス
  • 年月日: 20120918-20120921