蛋白質の天然構造の創発的進化についての計算物理学的研究

昨年度に引続き、タンパク質モデルにおける逆折り畳み問題の高速解法に関する研究を行った。逆折り畳み問題は、与えられた立体構造へと安定に折り畳むアミノ酸配列を探すものであり、与えられた配列に対する天然構造を探す従来の折り畳み問題の逆問題である。これは、タンパク質の機能がその天然構造と密接な関係をもつことから、「蛋白質の設計問題」ということもできる。相同配列の存在からも明らかなように、ある構造への折り畳む配列は一つとは限らず、一般の逆折り畳み問題は複数の解を持つ(解がない場合もある)。解の個数は、設計の容易さに関係するので、デザイナビリティと呼ばれている。それは、ランダムな配列から正しい配列への進化的な到達のし易さでもあり、蛋白質の「進化的安定性」にも関係する。折り畳み問題と同様に、逆折り畳み問題も、モノマー数が増大すると可能な配列の数が爆発してしまい、単純なしらみづぶしで解を得ることは不可能になる。本課題においては、逆折り畳み問題を効率的に解く全く新しいアルゴリズムを開発し、これが従来のシミュレーテッドアニーリングと同等かそれ以上の効率を示すことを検証した。蛋白質の天然構造の進化に関しては、遺伝アルゴリズムのような進化アルゴリズムの効率が解の多様性の維持に関係していることから、一般的な進化ダイナミクスを表現する方程式(replicator方程式系)における種の多様性の増大・維持のメカニズムについて新しい知見を得た。

昨年度に引続き、タンパク質モデルにおける逆折り畳み問題の高速解法に関する研究を行った。逆折り畳み問題は、与えられた立体構造へと安定に折り畳むアミノ酸配列を探すものであり、与えられた配列に対する天然構造を探す従来の折り畳み問題の逆問題である。これは、タンパク質の機能がその天然構造と密接な関係をもつことから、「蛋白質の設計問題」ということもできる。相同配列の存在からも明らかなように、ある構造への折り畳む配列は一つとは限らず、一般の逆折り畳み問題は複数の解を持つ(解がない場合もある)。解の個数は、設計の容易さに関係するので、デザイナビリティと呼ばれている。それは、ランダムな配列から正しい配列への進化的な到達のし易さでもあり、蛋白質の「進化的安定性」にも関係する。折り畳み問題と同様に、逆折り畳み問題も、モノマー数が増大すると可能な配列の数が爆発してしまい、単純なしらみづぶしで解を得ることは不可能になる。本課題においては、逆折り畳み問題を効率的に解く全く新しいアルゴリズムを開発し、これが従来のシミュレーテッドアニーリングと同等かそれ以上の効率を示すことを検証した。蛋白質の天然構造の進化に関しては、遺伝アルゴリズムのような進化アルゴリズムの効率が解の多様性の維持に関係していることから、一般的な進化ダイナミクスを表現する方程式(replicator方程式系)における種の多様性の増大・維持のメカニズムについて新しい知見を得た。