特任教授 | ||
井原 茂男 | ||
Professor Sigeo IHARA | ||
所属: | 東京大学 先端科学技術研究センター システム生物医学 東京大学 大学院数理科学研究科 |
|
専門分野: | バイオインフォーマティクス、計算物理 | |
研究内容
統計物理、多体問題、ネットワーク、ダイナミックスの観点から生命現象を数理的にとらえる
生命科学のデータは、サンプルの数に比べて特徴を表すデータ数が多いという特徴があり、通常の統計データと大きく異なっています。 このため、従来開発されてきた方法とは異なった方法論の開発が必要になっています。 統計解析や情報理論からのアプローチからは、特徴的なデータ間での相関関係は示せるものの、遺伝子などの探索を効率的に行うには、原子や分子のレベルにたった物理学的、数学的なモデル化が必要です。 原子や分子のレベルからの第一原理的な計算からの理解する立場にたてば、多くの仮設なしに、複雑に関係しあった関係性を予測できるので大変期待されています。 計算可能な時間と空間のスケールが小さいため、階層性が複雑でしかも多数の分子が協調して生まれる生命現象を理解し、かつ予測することは現状では困難です。
そこで、既存の知識での関係性をネットワークとして表現し、関係性の特徴を調べる統計解析や情報理論だけからのアプローチだけでなく、原子や分子のレベルからの生命現象を理解するための数学や物理学的なモデル化を融合した方法論の開発と実際の実験データへの適用をめざした研究を進めています。 時間と空間での扱える範囲が広く、新しい発見ができるような数理モデルによるシミュレーションを多用した新たなマイニング方法の探索や、階層性と協調性を内在するモデル化を実験グループと共同で探っています。
生命のシステム的理解のための数理解析
刺激を与えた後の転写の過程が時間とともに進む実験結果をもとに、転写の仮定の熱力学と情報処理のモデリング、および転写を担うポリメレースの運動を輸送の数理モデルであるセルオートマトンシミュレーションから解析を進めています。DNAループ構造の変化、DNAが巻きついている蛋白質の化学的な修飾の変化などによって、転写過程がダイナミックに変化するときのメカニズムを実験家とも協力しつつ、数理モデルをたてて解析を進めています(図1)。その他、ライブセルイメージングによる具体的な結果から、細胞の遊走のダイナミカルな運動のモデリング、さらに細胞内輸送の小胞体の輸送モデルの構築も進めています。
新たなデータマイニング手法:知識処理とシミュレーションの結果の活用
最近は高速シーケンサーを用いた蛋白質とDNA(RNA)への結合データの詳細な相関関係の統計解析、その視覚化のための表示方法の開発も進めています。解析結果から意味を考えるとき、細胞内部の蛋白質がどのようにお互いに協調的に作用するのかを、蛋白質の関係性の時間的な変化をネットワークの動力学として捉え、蛋白質の関係性のつながりがどのくらいもろいのかをネットワークの堅牢性として捉える包括的な視点も大切です。この場合、蛋白質、DNA、RNAの間の変化を実験から推定し、データベース等にある既知の情報との関係を明確にしていくことになります。私たちも、文献情報やネッワークの動力学、グラフ理論的解析など様々な試みをしてきました。扱うネットワークが図として表現することが難しいスケールフリーに近いため、ネットワークの時間的な変化をどのように表現するかについても検討しています(図2)。ごく最近、ミクロな分子の構造同士の関係性を取り入れて相互作用の関係を解析をするために、既知のアミノ酸配列と分子シミュレーションの結果を用いてトポロジーの観点から蛋白質構造を分類し、蛋白質同士の結合あるいは、抗原と抗体の界面の相互作用について3次元構造の観点からの解析を始めました。
これらの研究成果をもとに更なる研究の深化を先端研の他部署、他の部局と連携して進め、産官学の連携も進めています。
図1.転写の数理モデルから得られた遺伝子上の障害物による転写の変化の様子。
転写の数理モデルから得られた遺伝子上の障害物によって転写が変化する様子。①ポリメレースが自由に運動、②渋滞によってポリメレースの運動は強く制限される、③強く制限された運動の領域が遺伝子全体に広がる。
Ohta, Kodama, Ihara, Phys. Rev. E84 041922 (2011).
図2.時間変化するネットワークの様子。
蛋白質(中心の赤)と他の蛋白質との相互作用ネットワークが初期(前正面)から後期(左前)まで時間的に変化する。
Daigo, Ohta et al., J. Biol.Chem., 286 674( 2011)
原著論文
バイオ関連
- Visualization of ligand-induced Gi protein activation in chemotaxing cells
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招待講演
- 転写の高時間分解時系列実験と数理解析:分子生物学の革新への期待, n-bioセミナー 長浜バイオ大学 2016/7/12.
- A Dynamical Study of Transcription in Human Cell, ‘RMT2015:from fundamental mathematics to biological applications’, OIST, Okinawa, 2015/11/6.
- Annulus diagram of SO(3) rotation of protein modules, ‘Géométrie et Biophysique’, CNRS; Institut de Recherche Mathématique Avancée, University of Strasbourg, France, 2015/9/19.
- A Diagram Representation of Interactions of Modules in Biological Molecules, 招待特別講演 IHÉS (Institut des Hautes Études Scientifiques), Bures-sur-Yvette France, 2015/9/14.
- iBMath Project: An integrative approach of biology and mathematics for dynamical transcription, ‘Geometry and topology of macromolecule folding’, Aarhus University, Denmark 2013/12/04.
- 転写過程のモデリングと動態シミュレーション, 応用数学連携フォーラム, 第8回生命科学者のための使える数学セミナー, 東北大学 星陵キャンパス 2013/7/12.
- Modeling and Simulation for Gene Transcription, ‘Moduli Spaces and Macromolecules’ IHÉS, Bures-sur-Yvette France, 2013/05/17.
- Protein interaction networks from literature mining, American Physical Society March Meeting, San Francisco, 2005/03/24.
- Molecular Dynamics in Semiconductor Research, The 10th Japan-Germany Forum on Information Technology 1996, Kroster-Seeon, Germany, Keynote Speaker, 1996/05/03.
- Toroidal and helical forms of graphitic carbon, 4th International Conference on Advanced Materials, Cancun, Mexico, 1995/08/27.
出版
- バイオテクノロジーの流れ(化学工業日報社、2002)共著 太田隆久 監修
- はじめての並列プログラミング(共立出版、1998)共著
- 先端材料の基礎知識(オーム社、1991)共著
新聞掲載
- 日本工業新聞 「文献検索による蛋白質相互作用ネットワーク構築」 平成15年11月21日 他5件
表彰
- 日経サイエンス主催 第3回コンピュータ ビジュアリゼーション コンテスト優秀賞受賞