(57)【要約】【課題】高速かつ効率的に物質推定を行う。【解決手段】出発物質を構成する複数のユニットにおける複数のサブユニットと、当該サブユニットと結合して相補的対を形成する可能性がある当該ユニット又は他のユニットにおけるサブユニットとの全ての組み合わせにおいて、相補的対を形成することを示す真スロット及び当該相補的対を形成しないことを示す偽スロットの何れかを、予め規定したバウンスバック規則との適合性に基づいて選択し、上記組み合わせ毎に選択した真スロット又は偽スロットに基づいて生成物質又は合成経路を推定することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
出発物質から生成される生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを探索する物質探索システムにおいて、
上記出発物質を構成する複数のユニットにおける複数のサブユニットと、当該サブユニットと結合して相補的対を形成する可能性がある当該ユニット又は他のユニットにおけるサブユニットとの全ての組み合わせにおいて、相補的対を形成することを示す真スロット及び当該相補的対を形成しないことを示す偽スロットの何れかを、予め規定したバウンスバック規則との適合性に基づいて選択し、上記組み合わせ毎に選択した真スロット又は偽スロットに基づいて生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを推定する物質推定手段を備えること
を特徴とする物質探索システム。
【請求項２】
上記物質推定手段は、真スロットが選択されている場合に、これと同一のサブユニットを構成する偽スロットを選択しないように制御し、偽スロットが選択されている場合に、これと同一のサブユニットを構成する真スロットを選択しないように制御する上記バウンスバック規則との適合性に基づいて選択すること
を特徴とする請求項１記載の物質探索システム。
【請求項３】
上記物質推定手段は、真スロットが選択されている場合に、当該真スロットを有するサブユニットと相補的対を形成する他のサブユニットの偽スロットを選択しないように制御する上記バウンスバック規則との適合性に基づいて選択すること
を特徴とする請求項１又は２項記載の物質探索システム。
【請求項４】
上記物質推定手段は、真スロットが選択された場合に、当該真スロットを有するサブユニットが相補的対を形成する可能性がある全ての他のサブユニットの真スロットを選択しないように制御する上記バウンスバック規則との適合性に基づいて選択すること
を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載の物質探索システム。
【請求項５】
上記物質推定手段は、一のサブユニットにおける全ての偽スロットが選択されている場合には、当該全ての偽スロットを選択しないように制御する上記バウンスバック規則との適合性に基づいて選択すること
を特徴とする請求項１〜４のうち何れか１項記載の物質探索システム。
【請求項６】
上記物質推定手段は、真スロットが選択された場合に、これと隣接するサブユニットにおいて相補的対が不形成となるのを防ぐ制御する上記バウンスバック規則との適合性に基づいて選択すること
を特徴とする請求項１〜５のうち何れか１項記載の物質探索システム。
【請求項７】
上記物質推定手段は、互いに隣接するユニット間で形成されるサブユニットにおいて真スロットが選択された場合に、次のステップにおいて当該サブユニットにつき真スロットが選択しないように制御する上記バウンスバック規則との適合性に基づいて選択すること
を特徴とする請求項１〜６のうち何れか１項記載の物質探索システム。
【請求項８】
出発物質から生成される生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを探索する物質探索プログラムにおいて、
上記出発物質を構成する複数のユニットにおける複数のサブユニットと、当該サブユニットと結合して相補的対を形成する可能性がある当該ユニット又は他のユニットにおけるサブユニットとの全ての組み合わせにおいて、相補的対を形成することを示す真スロット及び当該相補的対を形成しないことを示す偽スロットの何れかを、予め規定したバウンスバック規則との適合性に基づいて選択し、上記組み合わせ毎に選択した真スロット又は偽スロットに基づいて生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを推定することをコンピュータに実行させることを特徴とする物質探索プログラム。
【請求項９】
出発物質から生成される生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを探索する物質探索方法において、
上記出発物質を構成する複数のユニットにおける複数のサブユニットと、当該サブユニットと結合して相補的対を形成する可能性がある当該ユニット又は他のユニットにおけるサブユニットとの全ての組み合わせにおいて、相補的対を形成することを示す真スロット及び当該相補的対を形成しないことを示す偽スロットの何れかを、予め規定したバウンスバック規則との適合性に基づいて選択し、上記組み合わせ毎に選択した真スロット又は偽スロットに基づいて生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを推定することを特徴とする物質探索方法。
【請求項１０】
出発物質から生成される生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを探索する物質探索システムにおいて、
上記出発物質を構成する複数のユニットにおける複数のサブユニットと、当該サブユニットと結合して相補的対を形成する可能性がある当該ユニット又は他のユニットにおけるサブユニットとの全ての組み合わせにおいて、相補的対を形成することを示す真スロット及び当該相補的対を形成しないことを示す偽スロットを割り当て、上記真スロット及び上記偽スロットにおける結合探索ステータスをそれぞれ生成する結合探索ステータス生成手段と、
上記結合探索ステータス生成手段により生成された現ステップにおける結合探索ステータスに基づいて結合ステータスを増減させることを上記スロット毎に行う結合ステータス増減手段と、
上記結合ステータス増減手段により増減させた後の全スロットの結合ステータスと、予め規定したバウンスバック規則との適合性を判別した上で、これに基づいて上記スロット毎にバウンスバック信号の強度値を算出して送信するバウンスバック信号送信手段と、
上記全スロットにおける結合ステータスに基づいて生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを推定する物質推定手段とを備え、
上記結合探索ステータス生成手段は、バウンスバック信号の強度値に応じて次ステップにおける結合探索ステータスを上記スロット毎に生成すること
を特徴とする物質探索システム。
【請求項１１】
上記バウンスバック信号送信手段から受信したバウンスバック信号の強度値に基づいて次ステップにおける結合探索確率を上記スロット毎に算出する結合探索確率算出手段を更に備え、
上記結合探索ステータス生成手段は、上記結合探索確率算出手段により算出された結合探索確率から次ステップにおける結合探索ステータスを上記スロット毎に生成すること
を特徴とする請求項８記載の物質探索システム。
【請求項１２】
上記結合探索確率算出手段は、結合探索ステータスが上昇するのを阻害する上記バウンスバック規則の総和を上記スロット毎に算出し、当該総和が大きくなるにつれて上記結合探索確率が小さくなるように制御すること
を特徴とする請求項１１記載の物質探索システム。
【請求項１３】
上記結合探索確率算出手段は、時間、ステップ数、相補的対の数に応じて増減する揺らぎ関数に基づいて上記結合探索確率を求めること
を特徴とする請求項１１又は１２記載の物質探索システム。
【請求項１４】
上記バウンスバック信号送信手段は、真スロットにおける結合ステータスが閾値以上の場合に、これと同一のサブユニットを構成する偽スロットのバウンスバック信号の強度値を向上させ、偽スロットにおける結合ステータスが閾値以上の場合に、これと同一のサブユニットを構成する真スロットのバウンスバック信号の強度値を向上させること
を特徴とする請求項１１〜１３のうち何れか１項記載の物質探索システム。
【請求項１５】
上記バウンスバック信号送信手段は、真スロットにおける結合ステータスが閾値以上の場合に、当該真スロットを有するサブユニットと相補的対を形成する他のサブユニットの偽スロットのバウンスバック信号の強度値を向上させること
を特徴とする請求項１１〜１４のうち何れか１項記載の物質探索システム。
【請求項１６】
上記バウンスバック信号送信手段は、真スロットにおける結合ステータスが閾値以上の場合に、当該真スロットを有するサブユニットが相補的対を形成する可能性がある全ての他のサブユニットの真スロットのバウンスバック信号の強度値を向上させること
を特徴とする請求項１１〜１５のうち何れか１項記載の物質探索システム。
【請求項１７】
上記バウンスバック信号送信手段は、一のサブユニットにおける全ての偽スロットにおける結合ステータスが閾値以上の場合には、当該全ての偽スロットのバウンスバック信号の強度値を向上させること
を特徴とする請求項１１〜１６のうち何れか１項記載の物質探索システム。
【請求項１８】
上記バウンスバック信号送信手段は、真スロットにおける結合ステータスが閾値以上の場合に、これと隣接するサブユニットにおける偽スロットのバウンスバック信号の強度値を向上させること
を特徴とする請求項１１〜１７のうち何れか１項記載の物質探索システム。
【請求項１９】
上記バウンスバック信号送信手段は、接するユニット間で形成されるサブユニットにおいて真スロットにおける結合ステータスが閾値以上の場合に、当該サブユニットにつき真スロットのバウンスバック信号の強度値を向上させること
を特徴とする請求項１１〜１８のうち何れか１項記載の物質探索システム。
【請求項２０】
上記結合探索ステータス生成手段は、上記ユニットを上記出発物質を構成する原子とし、上記サブユニットを当該原子の価電子とその相補体とし、上記価電子と相補体との間で相補的対としての共有電子対を形成する場合を真スロットとし、当該共有電子対を形成しない場合を偽スロットとすること
を特徴とする請求項１１〜１９のうち何れか１項記載の物質探索システム。
【請求項２１】
上記結合探索ステータス生成手段は、上記ユニットをＲＮＡ鎖とし、上記サブユニットをヌクレオチドとし、上記ヌクレオチドが他のＲＮＡ鎖のヌクレオチドと相補的対としての相補的塩基対又は水素結合を形成する場合を真スロットとし、当該相補的塩基対又は当該水素結合を形成しない場合を偽スロットとすること
を特徴とする請求項１１〜１９のうち何れか１項記載の物質探索システム。
【請求項２２】
上記結合探索ステータス生成手段は、上記ユニットをＲＮＡ鎖とし、上記サブユニットをヌクレオチドとし、上記ヌクレオチドが他のＲＮＡ鎖のヌクレオチドと相補的対としての相補的塩基対、水素結合又はホスホジエステル結合を形成する場合を真スロットとし、当該相補的塩基対、当該水素結合又は当該ホスホジエステル結合を形成しない場合を偽スロットとする状態データを上記被検対象毎に生成すること
を特徴とする請求項１１〜１９のうち何れか１項記載の物質探索システム。
【請求項２３】
出発物質から生成される生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを探索する物質探索プログラムにおいて、
上記出発物質を構成する複数のユニットにおける複数のサブユニットと、当該サブユニットと結合して相補的対を形成する可能性がある当該ユニット又は他のユニットにおけるサブユニットとの全ての組み合わせにおいて、相補的対を形成することを示す真スロット及び当該相補的対を形成しないことを示す偽スロットを割り当て、上記真スロット及び上記偽スロットにおける結合探索ステータスをそれぞれ生成する結合探索ステータス生成ステップと、
上記結合探索ステータス生成ステップにおいて生成した現ステップにおける結合探索ステータスに基づいて結合ステータスを増減させることを上記スロット毎に行う結合ステータス増減ステップと、
上記結合ステータス増減ステップにおいて増減した後の全スロットの結合ステータスと、予め規定したバウンスバック規則との適合性を判別した上で、これに基づいて上記スロット毎にバウンスバック信号の強度値を算出して送信するバウンスバック信号送信ステップと、
上記全スロットにおける結合ステータスに基づいて生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを推定する物質推定ステップとを有し、
上記結合探索ステータス生成ステップでは、バウンスバック信号の強度値に応じて次ステップにおける結合探索ステータスを上記スロット毎に生成すること
をコンピュータに実行させる物質探索プログラム。
【請求項２４】
出発物質から生成される生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを探索する物質探索方法において、
上記出発物質を構成する複数のユニットにおける複数のサブユニットと、当該サブユニットと結合して相補的対を形成する可能性がある当該ユニット又は他のユニットにおけるサブユニットとの全ての組み合わせにおいて、相補的対を形成することを示す真スロット及び当該相補的対を形成しないことを示す偽スロットを割り当て、上記真スロット及び上記偽スロットにおける結合探索ステータスをそれぞれ生成する結合探索ステータス生成ステップと、
上記結合探索ステータス生成ステップにおいて生成した現ステップにおける結合探索ステータスに基づいて結合ステータスを増減させることを上記スロット毎に行う結合ステータス増減ステップと、
上記結合ステータス増減ステップにおいて増減した後の全スロットの結合ステータスと、予め規定したバウンスバック規則との適合性を判別した上で、これに基づいて上記スロット毎にバウンスバック信号の強度値を算出して送信するバウンスバック信号送信ステップと、
上記全スロットにおける結合ステータスに基づいて生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを推定する物質推定ステップとを有し、
上記結合探索ステータス生成ステップでは、バウンスバック信号の強度値に応じて次ステップにおける結合探索ステータスを上記スロット毎に生成すること
を特徴とする物質探索方法。
【請求項２５】
出発物質から生成される生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを探索する物質探索システムにおいて、
上記出発物質を構成する複数のユニットにおける複数のサブユニットと、当該サブユニットと結合して相補的対を形成する可能性がある当該ユニット又は他のユニットにおけるサブユニットとの全ての組み合わせにおいて、相補的対を形成性を示す複数のスロットの何れかを、予め規定したバウンスバック規則との適合性に基づいて選択し、上記組み合わせ毎に選択したスロットに基づいて生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを推定する物質推定手段を備えること
を特徴とする物質探索システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出発物質から生成される生成物質、合成経路、代謝経路の何れかの探索を行う物質探索システム及び方法、物質探索プログラムに関し、特に時間的、空間的、システム的に大規模の生体高分子の化学反応を高速に計算することで生成物質の探索を高速かつ効率的に行う上で好適な物質探索システム及び方法、物質探索プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
分子動力学のシミュレーション方法としてよく知られている「古典分子動力学（MD）法」は、原子間に働く相互作用を分子力場で近似的に表現することにより、原子の運動を古典力学に従って時間発展させるものである。このMD法により、数万個以上の原子からなる系の生体内挙動を明らかにすることが可能である。
【０００３】
しかし、このMD方法では、分子力場で記述できないような化学反応（結合、解裂、解離）を扱うことができない。この欠点を補う方法として、化学反応が生じる空間領域においては「量子力学（QM）法」を用い、それ以外の分子力場で記述できる領域においては「分子力学（MM）法」を用いる「QM/MM法」が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。QM/MM法により、計算資源を抑えながら、複雑な生体内分子反応を計算することが可能となる。
【０００４】
しかしながら、時間的、空間的、システム的に大規模である生体現象を再現し、未知の安定構造を探索しようとすると、QM/MM法をもってしても指数関数オーダーの時間を要する。問題サイズに対して指数関数的に成長する状態空間の中から、未知の解を発見的に探索する方法としては、例えば「遺伝的アルゴリズム」等が知られている。しかし、こうした従来の発見的解探索法は、初期値から安定な解に到達するまでの過程、あるいは、一つの安定解に到達した後、これが不安定化して次なる安定解へと遷移する過程といった、複雑な生体内分子反応の時間発展を、その物理化学法則を反映する形で再現するものではなかった。このため、未知の安定な分子や構造を発見することはできても、未知の合成経路や代謝経路といった状態の遷移過程を発見する用途に用いることはできなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１６８３５４号公報
【特許文献２】特開２０１３−２４２４７７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】M. Aono, S.-J. Kim, L. Zhu, M. Naruse, M. Ohtsu, H. Hori, M. Hara, "Amoeba-inspired SAT Solver," Proceedings of NOLTA (Nonlinear Theory and its Application, IEICE) 2012, Majorca, Spain, 586-589 (2012).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
時間的、空間的、システム的に大規模である生体現象を再現するには、QM/MM法をもってしても依然として膨大な計算資源が必要となる。事実、既知の安定構造での電子状態の計算には、電子の数の４乗から６乗オーダーの時間を要する。さらに、未知の安定構造を探索しようとすると、指数関数オーダーの時間を要する。これに加え、未知の安定構造を知る目的にとっては無駄となる、原子や分子が衝突するまでの、反応が生じるまでの期間の運動も計算しなくてはならない。
【０００８】
このため、QM/MM法を利用し、現在最速のスーパーコンピュータを数ヶ月連続運転させても、タンパク質１個程度の折り畳み過程のナノ秒オーダーのシミュレーションが限度であり、折り畳みの全過程を再現することはできない。新規化学物質や新薬等の創成に有用な情報を得るためには、マイクロ秒オーダーのシミュレーションを繰返し実行し、その結果を解析する必要がある。こうした原因から、これまでのところ、計算機シミュレーションによる新規化学物質や新薬等の研究開発への寄与は、依然として限定的なものに留まっていた。
【０００９】
一方、問題サイズに対して指数関数的に成長する状態空間の中から、未知の解を発見的に探索する方法として知られる遺伝的アルゴリズムは、複雑な生体内分子反応の時間発展を、その物理化学法則を反映する形で再現するものではなかった。このため、未知の安定な分子や構造を発見することはできても、未知の合成経路や代謝経路といった状態の遷移過程を発見する用途に用いることはできなかった。
【００１０】
指数関数サイズの状態空間の中から、所与の論理的制約条件を充足する解を探索する組合せ最適化問題の一つである「充足可能性問題 (Satisfiability Problem; 略称ＳＡＴ問題)」の解を探索する方法として、バウンスバック制御を利用して解を探索するシステムも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。しかしながら、この特許文献２の開示技術は量子ドットや電子回路を利用して、ＳＡＴ問題等を自動的に解く方法は開示されているものの、バウンスバック制御を利用して化学反応を再現する方法、すなわち、実際に出発物質から生成される生成物質の探索を行う方法については何ら言及がなされていない。同様に非特許文献１にも充足可能性問題をバウンスバック制御で解くアルゴリズムは開示されているが、実際に出発物質から生成される生成物質の探索を行う点については特段言及がなされていない。
【００１１】
本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、特に時間的、空間的、システム的に大規模の生体高分子の化学反応を高速に計算することで、出発物質から生成される生成物質や合成経路及び代謝経路の探索を効果的に行うことが可能な物質探索システム及び方法、物質探索プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上述した課題を解決するために、時間的、空間的、システム的に大規模の生体高分子の化学反応を高速に計算することができる物質探索システムを検討した。例えば、複数原子の分子形成過程、複数ヌクレオチドのRNA二次構造形成過程、複数アミノ酸のタンパク質高次構造形成過程等を、出発物質を構成するユニットにおける各サブユニットが、これらと相補的な他のユニットにおける各サブユニットと相補的対を形成したり分解したりする試行錯誤を行う点に着目した。そして、計算機シミュレーションを通じて、全てのサブユニットにおいてこれら相補的対が安定する状態を探索する方法を鋭意検討した。
【００１３】
このとき、本発明者らは、化学反応する原子や分子同士の結合の生成や解裂、解離のみを取り扱うことにより、計算資源を大幅に縮約する方法を模索した。そこでは、空間中で定義される位置や運動量等の変数を導入せずに、すべての原子や分子が瞬時に互いと衝突可能な状況を仮定した。そして、原子や分子間で可能な結合、解裂、解離の組合せをすべて含む状態空間において、いくつかの制約条件を充足する状態に到達したり、その状態から他の状態へと遷移したりする過程として、安定な分子や高次構造体の形成や分解を表現する方法を提案した。これにより、複数の原子や分子の衝突に要する空間間隔と時間間隔等のファクターを計算の過程で排除することができる。さらに、制約を充足する状態を探索するために、高速な発見的（ヒューリスティック）組合せ最適化アルゴリズムを用いる。このアルゴリズムは、化学結合状態を表現する複数の状態変数が、可能でない結合状態への遷移を抑制する「バウンスバック規則」と呼ばれる制約規則によるフィードバック制御を受けながら、確率的あるいは決定論的な「揺らぎ」を伴いつつ時間発展する。それらが、試行錯誤しながら状態空間を探索する過程で、制約規則による抑制を受けない状態に到達するとき安定化し、制約充足解が得られる仕組みになっている。
【００１４】
本発明を適用した物質探索システムは、上述した課題を解決するために、出発物質から生成される生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを探索する物質探索システムにおいて、上記出発物質を構成する複数のユニットにおける複数のサブユニットと、当該サブユニットと結合して相補的対を形成する可能性がある当該ユニット又は他のユニットにおけるサブユニットとの全ての組み合わせにおいて、相補的対を形成することを示す真スロット及び当該相補的対を形成しないことを示す偽スロットの何れかを、予め規定したバウンスバック規則との適合性に基づいて選択し、上記組み合わせ毎に選択した真スロット又は偽スロットに基づいて生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを推定する物質推定手段を備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明を適用した物質探索プログラムは、出発物質から生成される生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを探索する物質探索プログラムにおいて、上記出発物質を構成する複数のユニットにおける複数のサブユニットと、当該サブユニットと結合して相補的対を形成する可能性がある当該ユニット又は他のユニットにおけるサブユニットとの全ての組み合わせにおいて、相補的対を形成することを示す真スロット及び当該相補的対を形成しないことを示す偽スロットの何れかを、予め規定したバウンスバック規則との適合性に基づいて選択し、上記組み合わせ毎に選択した真スロット又は偽スロットに基づいて生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを推定することをコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００１６】
本発明を適用した物質探索方法は、出発物質から生成される生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを探索する物質探索方法において、上記出発物質を構成する複数のユニットにおける複数のサブユニットと、当該サブユニットと結合して相補的対を形成する可能性がある当該ユニット又は他のユニットにおけるサブユニットとの全ての組み合わせにおいて、相補的対を形成することを示す真スロット及び当該相補的対を形成しないことを示す偽スロットの何れかを、予め規定したバウンスバック規則との適合性に基づいて選択し、上記組み合わせ毎に選択した真スロット又は偽スロットに基づいて生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを推定することを特徴とする。  本発明に係る物質探索システムは、上述した課題を解決するために、出発物質から生成される生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを探索する物質探索システムにおいて、上記出発物質を構成する複数のユニットにおける複数のサブユニットと、当該サブユニットと結合して相補的対を形成する可能性がある当該ユニット又は他のユニットにおけるサブユニットとの全ての組み合わせにおいて、相補的対を形成することを示す真スロット及び当該相補的対を形成しないことを示す偽スロットを割り当て、上記真スロット及び上記偽スロットにおける結合探索ステータスをそれぞれ生成する結合探索ステータス生成手段と、上記結合探索ステータス生成手段により生成された現ステップにおける結合探索ステータスに基づいて結合ステータスを増減させることを上記スロット毎に行う結合ステータス増減手段と、上記結合ステータス増減手段により増減させた後の全スロットの結合ステータスと、予め規定したバウンスバック規則との適合性を判別した上で、これに基づいて上記スロット毎にバウンスバック信号の強度値を算出して送信するバウンスバック信号送信手段と、上記全スロットにおける結合ステータスに基づいて生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを推定する物質推定手段とを備え、上記結合探索ステータス生成手段は、バウンスバック信号の強度値に応じて次ステップにおける結合探索ステータスを上記スロット毎に生成することを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る物質探索プログラムは、上述した課題を解決するために、出発物質から生成される生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを探索する物質探索プログラムにおいて、上記出発物質を構成する複数のユニットにおける複数のサブユニットと、当該サブユニットと結合して相補的対を形成する可能性がある当該ユニット又は他のユニットにおけるサブユニットとの全ての組み合わせにおいて、相補的対を形成することを示す真スロット及び当該相補的対を形成しないことを示す偽スロットを割り当て、上記真スロット及び上記偽スロットにおける結合探索ステータスをそれぞれ生成する結合探索ステータス生成ステップと、上記結合探索ステータス生成ステップにおいて生成した現ステップにおける結合探索ステータスに基づいて結合ステータスを増減させることを上記スロット毎に行う結合ステータス増減ステップと、上記結合ステータス増減ステップにおいて増減した後の全スロットの結合ステータスと、予め規定したバウンスバック規則との適合性を判別した上で、これに基づいて上記スロット毎にバウンスバック信号の強度値を算出して送信するバウンスバック信号送信ステップと、上記全スロットにおける結合ステータスに基づいて生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを推定する物質推定ステップとを有し、上記結合探索ステータス生成ステップでは、バウンスバック信号の強度値に応じて次ステップにおける結合探索ステータスを上記スロット毎に生成することをコンピュータに実行させる。
【００１８】
本発明に係る物質探索方法は、出発物質から生成される生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを探索する物質探索方法において、上記出発物質を構成する複数のユニットにおける複数のサブユニットと、当該サブユニットと結合して相補的対を形成する可能性がある当該ユニット又は他のユニットにおけるサブユニットとの全ての組み合わせにおいて、相補的対を形成することを示す真スロット及び当該相補的対を形成しないことを示す偽スロットを割り当て、上記真スロット及び上記偽スロットにおける結合探索ステータスをそれぞれ生成する結合探索ステータス生成ステップと、上記結合探索ステータス生成ステップにおいて生成した現ステップにおける結合探索ステータスに基づいて結合ステータスを増減させることを上記スロット毎に行う結合ステータス増減ステップと、上記結合ステータス増減ステップにおいて増減した後の全スロットの結合ステータスと、予め規定したバウンスバック規則との適合性を判別した上で、これに基づいて上記スロット毎にバウンスバック信号の強度値を算出して送信するバウンスバック信号送信ステップと、上記全スロットにおける結合ステータスに基づいて生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを推定する物質推定ステップとを有し、上記結合探索ステータス生成ステップでは、バウンスバック信号の強度値に応じて次ステップにおける結合探索ステータスを上記スロット毎に生成することを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る物質探索システムは、出発物質から生成される生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを探索する物質探索システムにおいて、上記出発物質を構成する複数のユニットにおける複数のサブユニットと、当該サブユニットと結合して相補的対を形成する可能性がある当該ユニット又は他のユニットにおけるサブユニットとの全ての組み合わせにおいて、相補的対を形成性を示す複数のスロットの何れかを、予め規定したバウンスバック規則との適合性に基づいて選択し、上記組み合わせ毎に選択したスロットに基づいて生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを推定する物質推定手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
このアルゴリズムが毎回の反復処理において、バウンスバック規則に基づく制御に要するメモリのサイズは、状態変数の数の２次関数のオーダーに抑えられる（バウンスバック規則の数は３次関数以上のオーダーとなり得る）。一方、状態空間のサイズは指数関数的に増大するので、未知の安定構造を探索しようとすると、その計算には指数関数オーダーの時間を要する。ただし、このアルゴリズムは、原子や分子の衝突に要する空間間隔と時間間隔を排除しているため、それらの反応が生じるまでの期間の運動を計算する無駄が省かれている。また、バウンスバック制御に基づくアルゴリズムは、試行錯誤のための揺らぎを適切に設定することで、ＳＡＴ問題の解を、従来知られていた最も高速な確率的局所探索アルゴリズムである「WalkSAT」よりも桁違いに高速に発見できることが示されている。よって、本発明のアルゴリズムも、「バウンスバック規則」と「揺らぎ」を適切に設定することにより、他の発見的探索アルゴリズムよりも桁違いに高速に制約充足解を探索できると期待できる。
【００２１】
さらに本発明では、原理的にはすべての可能な中間状態や安定状態を経由する運動を再現できるため、未知の反応経路や代謝経路の存在を突止めることができる。加えて、バウンスバック規則を適切に設定することにより、単位的ユニットの時間的、空間的、システム的な規模を任意に選択でき、共有結合（ペプチド結合、ホスホジエステル結合、ジスルフィド結合）、水素結合、イオン結合、疎水性相互作用、電気陰性度といった、生体現象に見られる様々な化学結合、相補性、物理化学的法則を導入できる。そして、それらの縮約されたダイナミクスを自在に表現することができる。したがって、本発明では、適切にバウンスバックルールと揺らぎを設定することで、多種多様な物理化学的過程を高速にシミュレーションすることが可能になる。そして、時間的、空間的、システム的に大規模な生体高分子の化学反応動力学を再現し、従来手法では探索できなかった未知の合成経路や代謝経路の発見が可能となるものと期待できる。またシミュレーションの条件を変え、試行を重ねることで、高速に未知の化学合成経路や代謝経路を発見することができる。このため、新規化学物質や新薬等の創成の場面で、実験条件を迅速に絞り込むことができ、それらの研究開発を加速できる。
【００２２】
本発明は、従来のデジタル計算機上でシミュレーションを行うソフトウェアとしても有用であるが、任意のバウンスバック規則と揺らぎを設定可能な専用のハードウェアによって実現することもできる。目的に特化した専用の計算システムを構築すれば、シミュレーションの更なる大規模化と高速化を計ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明を適用した物質探索システムの全体構成を示す図である。
【図２】ユニット並びにサブユニットの概念について説明するための図である。
【図３】出発物質において互いに相補的対を形成する可能性のある全てのサブユニット間の組み合わせを示す図である。
【図４】出発物質において互いに相補的対を形成する可能性のある全てのサブユニット間の組み合わせを示す他の図である。
【図５】本発明を適用した物質探索システムの作用効果について説明するための図である。
【図６】ユニットとして１５個のヌクレオチドからなる１本鎖RNAの一次元配列を入力した場合について説明するための図である。
【図７】ユニットとしてヌクレオチドからなる１本鎖RNAの一次元配列を入力した場合について説明するための他の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を適用した物質探索システムについて図面を参照しながら詳細に説明をする。
【００２５】
図１は、本発明を適用した物質探索システム５０の全体構成を示している。この物質探索システム５０は、出発物質から生成される生成物質を探索するものであって、結合探索ステータス生成部５１と、結合ステータス増減部５２と、バウンスバック信号送信部５３と、結合探索確率算出部５４とを備え、これらの各部位を協働させることにより得られる情報に基づいて生成物質を推定する物質推定部５５とを備えている。
【００２６】
結合探索ステータス生成部５１では、本発明を適用した物質探索システム１において生成物質の推定に必要なステータス情報を生成する。このステータス情報を説明する上で、以下の化学式（Ｎ2＋３Ｈ2→２ＮＨ3）を例に挙げる。この化学式でいうところの出発物質は、Ｎ2と３つのＨ2である。また生成物質は、２ＮＨ3であるが、本発明では、仮にこの生成物質（２ＮＨ3）が未知であるものと仮定した場合に、出発物質（Ｎ2、３Ｈ2）を入力することにより、この未知なる生成物質を発見するものである。加えて、同様の入力から、生成物質が既知である場合には、その物質が形成されるまでにどのような中間物質を経たかを解析することができ、未知の反応経路を発見することができる。出発物質の入力は、図示しないユーザインターフェース等を介してユーザ側が自由に入力することができ、結合探索ステータス生成部５１では、この入力された出発物質を読み取る。
【００２７】
また、結合探索ステータス生成部５１では、図２に示すように、出発物質をユニットと呼ばれる単位に分解する。ユニットは、出発物質を構成する原子、分子、高分子等、当該出発物質から分解可能なあらゆる単位を示すものであるが、この例におけるユニットは、原子である。即ち、図２中の[  ]で囲まれた数字がユニットＮｏであり、２つのＮが、それぞれユニット[１]、[２]であり、６つのＨがそれぞれユニット[３]〜[６]である。
【００２８】
また、各ユニットは当該ユニット又は他のユニットと互いに結合を作ることができるものと仮定する。例えばユニット[１]のＮは、例えば他のユニット[２]のＮと３重結合を作って分子Ｎ2を形成可能である。また、ユニット[１]のＮは、他のユニット[３]〜[６]のＨとも互いに共有結合を作ってＮＨ3を形成可能である。更にこのユニット[１]のＮは、当該ユニット[１]のＮとの間でも結合を作ることができる。これは逆にユニット[１]以外のユニット[２]〜[６]についても同様に、当該ユニット又は他のユニットとは互いに結合を作る可能性があるということができる。
【００２９】
また各ユニットは、複数のサブユニットを有している。このサブユニットは、そのサブユニットを構成するユニットと互いに相補的な他のユニットにおける各サブユニットと形成する相補的対を意味している。この相補的対とは、結合を形成する上で一方のサブユニットから供与する供与体と、これらと他のユニットにおけるサブユニットがこれを受け入れる可能性がある受容体とのペアを意味するものである。この図２の例で、サブユニットは、価電子とその相補体を意味している。例えば、ユニット[１]のＮは、１、−１、２、−２、３、−３からなる６つのサブユニットを有する。また、ユニット[２]のＮは、４、−４、５、−５、６、−６からなる６つのサブユニットを有する。これらサブユニットのうち正の符号は、価電子を意味しており、負の符号は、相補的な相手側のサブユニットの価電子に対する相補体を意味している。
【００３０】
例えば、ユニット[１]のＮは、３つの価電子を有し、これは、サブユニット１、２、３である。ユニット[１]のＮ側からは、これらサブユニット１、２、３からなる価電子を供与体として供与する。ユニット[２]のＮ側からは、これらサブユニット１、２、３からなる価電子を受け入れる相補体がそれぞれサブユニット−４、−５、−６であり、これらと相補体対を形成する。またユニット[２]のＮは、３つの価電子を有し、これは、サブユニット４、５、６である。ユニット[２]のＮ側からは、これらサブユニット４、５、６からなる価電子を供与体として供与する。ユニット[１]のＮ側からは、これらサブユニット４、５、６からなる価電子を受け入れる相補体がそれぞれサブユニット−１、−２、−３であり、互いに相補体対を形成する。即ち、このケースで相補的対となるのは、価電子と共有結合を成立する可能性のある他の原子の相補体との対となる。
【００３１】
このようにしてユニット[１]、[２]が持つそれぞれ３つずつの価電子により３重結合からなるＮ2が形成されるが、このような供与体と相補体との関係で以下説明するものとする。
【００３２】
一の水素Ｈ2を構成するユニット[３]、[４]も同様に説明することができ、ユニット[３]は、１つの価電子を有し、これは、サブユニット７である。ユニット[３]側からは、これらサブユニット７からなる価電子を供与体として供与する。ユニット[４]側からは、これらサブユニット７からの価電子を受け入れる相補体がそれぞれサブユニット−８である。またユニット[４]は、１つの価電子を有し、これは、サブユニット８である。ユニット[４]からは、これらサブユニット８からなる価電子を供与体として供与する。ユニット[３]からは、これらサブユニット８からなる価電子を受け入れる相補体がサブユニット−７である。他の水素を構成するユニット[５]〜[８]もこれと同様に説明することが可能となる。
【００３３】
また、ユニットが酸素原子の場合には、その価電子の数に応じた合計４つのサブユニットを持つこととなり、ユニットが炭素原子の場合には、その価電子の数に応じた合計８つのサブユニットを持つものとなる。他の原子についても同様に「サブユニット」の数が定義できる。
【００３４】
またサブユニット間で相補的対を形成することを示す真スロットと、相補的対を形成しないことを示す偽スロットがそれぞれ割り当てられている。
【００３５】
上述したユニット[１]における１、−１、２、−２、３、−３からなる６つのサブユニットは、それぞれユニット[２]における４、−４、５、−５、６、−６からなる６つのサブユニットのうち、互いに正負の異なるサブユニットとの間でそれぞれ相補的対を形成する可能性がある。このような相補的対を形成する可能性があるサブユニット間の組み合わせにおいて、相補的対を形成することを示す真スロット及び当該相補的対を形成しないことを示す偽スロットがそれぞれ割り当てられる。最終的にサブユニット間の一つの組み合わせにつき、真スロット及び偽スロットの何れかが選択されることとなるが、その真スロット、偽スロットの何れが選択される可能性があるかを示すパラメータが、結合探索ステータスＲである。
【００３６】
例えばユニット[１]におけるサブユニット１は、相手側のユニット[２]におけるサブユニット−４との組み合わせにおいて、それぞれ真スロットと偽スロットが一つずつ割り当てられる。これら真スロット、偽スロットは、それぞれ結合探索ステータスＲを有する。
【００３７】
同様にユニット[４]におけるサブユニット８は、相手側のユニット[３]におけるサブユニット−７との組み合わせにおいて、それぞれ真スロットと偽スロットが一つずつ割り当てられる。これら真スロット、偽スロットは、それぞれ結合探索ステータスＲを有する。
【００３８】
このようにしてサブユニットが供与する供与体と相補的対を形成する可能性がある他のユニットにおけるサブユニットとの全ての組み合わせにおいて相補的対を形成することを示す真スロット及び当該相補的対を形成しないことを示す偽スロットを割り当てる。そして真スロット及び偽スロットにそれぞれ結合探索ステータスＲを持たせる。
【００３９】
結合探索ステータス生成部５１は、これら全てのスロットにおいて、例えばユニット[１]におけるサブユニット１は、相補的対を形成する可能性のある、ユニット[２]におけるサブユニット−４、−５、−６、ユニット[３]におけるサブユニット−７、ユニット[４]におけるサブユニット−８、ユニット[５]におけるサブユニット−９、ユニット[６]におけるサブユニット−１０、ユニット[７]におけるサブユニット−１１、ユニット[８]におけるサブユニット−１２について、それぞれ真スロット及び偽スロットが割り当てられ、それぞれのスロットは、結合探索ステータスＲを持つ。この結合探索ステータスは、１又は０で表現されるがこれに限定されるものではなく、いかなる数値で何段階に亘って設定されるものであってもよい。結合探索ステータス生成部５１は、各スロットにおける結合探索ステータスＲを決定する際に、後述する結合探索確率算出部５４により算出された結合探索確率に基づくようにしてもよい。
【００４０】
結合探索ステータス生成部５１は、互いに相補的対を形成する可能性のある全てのサブユニット間の真スロット、偽スロットについて結合探索ステータスＲを割り当てた後、各スロットの結合探索ステータスＲを結合ステータス増減部５２へ送信する。
【００４１】
結合ステータス増減部５２は、各スロットについてそれぞれ割り当てられる結合ステータスＸを管理する。この結合ステータス増減部５２は、結合探索ステータスＲに基づいて結合ステータスを増減させることを、各スロットについて実行する。結合ステータスは、以下の実施の形態において、各被検対象とも−１、０、１の３つの変数を取りえるものとするが、これに限定されるものではなく、いかなる種類の変数をいかなる段階に亘って設定するようにしてもよい。結合ステータス増減部５２は、結合探索ステータスＲが１と判断された被検対象については、その被検対象の結合ステータスＸを１増加させる。また、結合ステータス増減部５２は、結合探索ステータスＲが０と判断された被検対象については、その被検対象の結合ステータスを１減少させる。
【００４２】
ちなみに、結合ステータスＸが既に１である場合に結合探索ステータスＲが１と判断された場合には、その結合ステータスについてはそのまま１を保持する。一方、結合ステータスＸが既に−１である場合に更に結合探索ステータスＲが０と判断された場合には、その結合ステータスＸについてはそのまま−１を保持する。
【００４３】
ここで結合ステータスＸが１である場合には、そのスロットが真スロットであれば、真スロットであることが確定したことを意味し、そのスロットが偽スロットであれば、偽スロットであることが確定したことを意味する。
【００４４】
これに対して、結合ステータスＸが−１、０である場合には、被検対象について、真スロット又は偽スロットであることが未だ確定していないことを意味する。ちなみに被検対象について、真スロット又は偽スロットであることが確定したか否かについては、予め閾値を設定しておき、その閾値以上であれば真スロット又は偽スロットであることが確定したものと判別し、閾値未満であれば、それが未確定であることを判別するようにしてもよい。特に結合探索ステータスＲが１、０の何れかで構成されているものではなく、他の数値で構成されている場合において、予め設定した閾値を上回るか否か判断するメリットがある。ちなみにこの結合ステータスの増減幅についても、結合探索ステータスＲと閾値との差に応じて決められるものであってもよい。
【００４５】
バウンスバック信号送信部５３は、結合ステータス増減部５２により増減された後の結合ステータスＸが１以上又は所定の閾値以上であるか否かの判断を各スロットについて行う。既に結合ステータス増減部５２により、全ての真スロット、偽スロットについて既に結合ステータスＸとして−１、０、１の何れかが割り当てられていることから、このバウンスバック信号送信部５３では、これらのスロット毎の結合ステータスＸを読み取る。そして、読み取った結合ステータスＸについてバウンスバック規則との適合性を判別する。またバウンスバック信号送信部５３は、判別した適合性を反映させたバウンスバック信号強度値Ｓを各スロットについて算出する。このバウンスバック規則ならびにその適合性の判別方法、更にバウンスバック信号強度値Ｓの算出方法の詳細は、後段の実施例において詳述する。バウンスバック信号送信部５３は、この算出したバウンスバック信号強度値Ｓを結合探索確率算出部５４へ送信する。
【００４６】
結合探索確率算出部５４は、バウンスバック信号送信部５３により算出されたバウンスバック信号強度値Ｓを受信する。結合探索確率算出部５４は、スロット毎のバウンスバック信号強度値Ｓに基づいて結合探索確率Ｐをスロット毎に算出する。
【００４７】
以上の結合探索ステータス生成部５１〜結合探索確率算出部５４の一連のプロセスが１ステップとなる。結合探索確率算出部５４により結合探索確率Ｐの算出が終了した後、次のステップに移行することとなる。
【００４８】
次のステップに移行した場合、再び結合探索ステータス生成部５１は、互いに相補的対を形成する可能性のある全てのサブユニット間に割り当てられる各真スロット及び各偽スロットについて、再び結合探索ステータスＲの生成を行う。この結合探索ステータスＲの生成は、結合探索確率Ｐに基づいて決定するようにしてもよい。以降のプロセスは、上述と同様である。
【００４９】
各サブユニットの組み合わせにおいて、真スロット、偽スロットのペアが割り当てられるが、全てのペアの何れか一方の結合ステータスＸが１であり、他方の結合ステータスＸが０以下であることが確定するまで上述したステップを繰り返し実行する。そして全てのペアの何れか一方の結合ステータスＸが１であり、他方の結合ステータスＸが０以下であることが確定した場合、物質推定部５５は、生成物質を推定する。この物質推定部５５による生成物質の推定は、全スロットにおける結合ステータスＸに基づいて行う。
【００５０】
なお、上述した物質探索システム５０は、図１に示すブロック構成からなる回路で実現されるものであってもよい。かかる場合には、例えば、アナログ回路、デジタル回路を始めとしたいかなるデバイスで具現化されるものであってもよい。ちなみに、回路として具現化される場合には、FPGA(field-programmable gate array)に基づいて、構成を設定するようにしてもよい。また、本発明はプログラムで具現化されるものであってもよい。かかる場合には、結合探索ステータス生成部５１は、これと同様の処理を実行する結合探索ステータス生成ステップに、結合ステータス増減部５２は、これと同様の処理を実行する結合ステータス増減ステップに、バウンスバック信号送信部５３は、これと同様の処理を実行するバウンスバック信号強度値算出ステップに、結合探索確率算出部５４は、これと同様の処理を実行する結合探索確率算出ステップに、物質推定部５５は、これと同様の処理を実行する物質推定ステップに具現化されることとなる。これに加えて、このようなプログラムに基づいて動作するハードウェア（例えば、パーソナルコンピュータ、各種携帯情報端末等）を介して具現化されるものであってもよい。
【００５１】
また、本発明は、上述した図１に示すブロック構成に限定されるものではない。例えば、サブユニット間の組み合わせにおいて、相補的対を形成することを示す真スロット及び当該相補的対を形成しないことを示す偽スロットの何れかを、予め規定したバウンスバック規則との適合性に基づいて選択し、組み合わせ毎に選択した真スロット又は偽スロットに基づいて生成物質、合成経路、代謝経路の何れかを推定するものであればいかなる構成とされていてもよいことは勿論である。
【００５２】
かかる場合には、真スロットが選択されている場合に、これと同一のサブユニットを構成する偽スロットを選択しないように制御し、偽スロットが選択されている場合に、これと同一のサブユニットを構成する真スロットを選択しないように制御する上記バウンスバック規則との適合性に基づいて選択するものであってもよい。
【００５３】
また、真スロットが選択されている場合に、当該真スロットを有するサブユニットと相補的対を形成する他のサブユニットの偽スロットを選択しないように制御する上記バウンスバック規則との適合性に基づいて選択するようにしてもよい。
【００５４】
また、真スロットが選択された場合に、当該真スロットを有するサブユニットが相補的対を形成する可能性がある全ての他のサブユニットの真スロットを選択しないように制御する上記バウンスバック規則との適合性に基づいて選択するようにしてもよい。
【００５５】
また、一のサブユニットにおける全ての偽スロットが選択されている場合には、当該全ての偽スロットを選択しないように制御する上記バウンスバック規則との適合性に基づいて選択するようにしてもよい。
【００５６】
なお、上述した実施の形態においては、相補的対の形成を示す真スロットと、相補的対の非形成を示す偽スロットの２つのスロットで構成する場合に限定されるものでは無い。例えば、３以上のスロットで構成するようにしてもよい。即ち、相補的対の形成の有無という２つ状態を真スロット、偽スロットで定義する以外に３以上の状態をそれぞれ３以上のスロットで表現するようにしてもよい。かかる場合であっても上述したバウンスバック制御、揺らぎ探索が可能となる。
【実施例１】
【００５７】
以下、本発明の実施例として、出発物質としてＮ2と、３つのＨ2とを入力した場合の計算処理について説明をする。
【００５８】
図２に示すように、各「原子」を「ユニット i 」と記載する（i ∈ [1,2, ..., 8]）。各原子がもつ、「価電子」を「サブユニット j 」、その相補体を「サブユニット -j 」と記載する。
【００５９】
窒素原子であるユニット［１］と［２］は、それぞれ６つのサブユニットをもち、水素原子であるユニット［３］、［４］、［５］、［６］、［７］、［８］はそれぞれ２つのサブユニットをもつので、合計２４個のサブユニットが存在する。
【００６０】
全サブユニットには、上述した図２に示すような通し番号を振ることとし、j ∈ [1,2, ..., 12]、- j ∈ [-1,-2, ..., -12]としている。
【００６１】
ここでユニット i のサブユニット j が、それと結合する可能性のあるユニット i' のサブユニット j' と結合していることを表す真スロット（“１”）  を、「スロット<i,j,i',j',1>」と記載し、結合していない事を表す偽スロット（“０”）を「スロット<i,j,i',j',0>」と記載する。このとき、ユニット i のサブユニット j が結合する可能性のあるユニット i' のサブユニット j' とは、j が価電子（正符号）を表すときは相補体（負符号）であり、j が相補体（負符号）を表すときは価電子（正符号）となる。
【００６２】
このため一のサブユニットと他の一のサブユニットの組み合わせにおいて、j と j'の符号が異なるようなスロット<i,j,i',-j',v>のみが存在する。ただし 真スロットか、偽スロットかを示すv は０又は１である。
【００６３】
図３は、これら出発物質において、互いに相補的対を形成する可能性のある全てのサブユニット間の組み合わせを示している。縦軸、横軸に各ユニットにおけるサブユニットが配列している。上述したユニット[１]における１、−１、２、−２、３、−３からなる６つのサブユニットは、それぞれユニット[２]における４、−４、５、−５、６、−６からなる６つのサブユニットのうち、互いに正負の異なるサブユニットとの間でそれぞれ相補的対を形成する可能性がある。このため、これら相補的対を形成する可能性があるものが、サブユニット間の最小組み合わせ単位となる。
【００６４】
サブユニット間の最小組み合わせ単位は、図３に示すように“１”と“０”が記述されたボックスに該当する。各ボックスに示される“１”と“０”が上述した真スロットと偽スロットに該当する。被検対象に相当する各ボックスにおいて、“１”と“０”のうち何れか又は両方が黒地に色付けされている。この黒地に色付けされたものが、結合ステータス増減部５２により結合ステータスＸが“１”とされたものであり、黒地に色付けされていないものが、結合ステータス増減部５２により結合ステータスＸが“０”又は“−１”とされたものである。上述した図３の例では各ボックスに示される“１”と“０”のいずれかが黒地に色付けされている場合を示しているが、これに限定されるものではなく、両方とも黒地に色付けされている場合、或いは両方とも黒地に色付けされていない場合も発生し得る。
【００６５】
同様に、上述したユニット[１]における１、−１、２、−２、３、−３は、水素を示すユニット[３]における７、−７のうち互いに正負の異なるサブユニットとの間でそれぞれ相補的対を形成する可能性がある。このため、これら相補的対を形成する可能性があるものがサブユニット間の組み合わせとなり、サブユニット間の最小組み合わせ単位を示すボックスに“１”と“０”の双方が記述される。
【００６６】
図３の例では、１２０個の被検対象があり、それぞれ真スロット、偽スロットの何れが選択されたかが示されている。このため、スロット数の合計は１２０×２＝２４０個となる。
【００６７】
各スロット<i,j,i',-j',v>は、「結合ステータス」と呼ばれ値 -1, 0, 1をとりうる変数 Xi,j,i',-j',v と、「結合探索ステータス」と呼ばれ値 0, 1をとりうる変数 Ri,j,i',-j',v と、「結合探索確率」と呼ばれ 0から１までの実数値をとりうる変数 Pi,j,i',-j',v と、「バウンスバック信号強度」と呼ばれ 0から１までの実数値をとりうる変数 Si,j,i',-j',v をもつ。なお、結合探索ステータスRi,j,i',-j',vのうちv＝１の場合（Ri,j,i',-j',1）が真スロットであり、結合探索ステータスRi,j,i',-j',vのうちv＝０の場合（Ri,j,i',-j',0）が偽スロットである。以下、上記４つの変数の意味とその更新方法を説明する。
【００６８】
結合ステータス Xi,j,i',-j',1 は、１又は所定の閾値以上をとるとき、原子 i と i' の間で価電子 j とその相補体 -j'（または相補体 j と価電子 -j'）による「相補的対」の形成が確定したことを意味する。Xi,j,i',-j',1 が 0 以下の値（ 0 または -1）をとるときは、原子 i と i' の間で価電子 j とその相補体 -j'（または相補体 j と価電子 -j'）による「相補的対」の形成が未確定であることを示す。Xi,j,i',-j',0 が値 1 をとるとき、原子 i と i' の間で価電子 j とその相補体 -j'（または相補体 j と価電子 -j'）による「相補的対」の不形成が確定することを表す。Xi,j,i',-j',0 が0 以下の値（ 0 または -1）をとるときは、原子 i と i' の間で価電子 j とその相補体 -j'（または相補体 j と価電子 -j'）による「相補的対」の不形成が未確定であることを示す。
【００６９】
このため、Xi,-j,i',j',1 が値 1 をとり、かつ、Xi,-j,i',j',0 が 0 以下の値をとり、かつ、 Xi,j,i',-j',1 が値 1 をとり、かつ、Xi,j,i',-j',0 が 0 以下の値をとるとき、 原子 i と i' の間で価電子 j とその相補体 -j'により共有結合が成立することが確定する。一方、 Xi,-j,i',j',0 が値 1 をとり、かつ、Xi,-j,i',j',1 が 0 以下の値をとり、かつ、 Xi,j,i',-j',0 が値 1 をとり、かつ、Xi,j,i',-j',1 が 0 以下の値をとるとき、 原子 i と i' の間で価電子 j とその相補体 -j'により相補的対（共有結合）が成立しないことが確定する。
【００７０】
また、各ステップ t における、スロット<i,j,i',-j',v>の結合ステータス値を Xi,j,i',-j',v (t)と記述することとする。
【００７１】
次ステップ t+1におけるXi,j,i',-j',v (t+1)の値は、当該スロットの結合探索ステータス値Ri,j,i',-j',v (t)が1のとき、もしXi,j,i',-j',v (t) < 1 ならば、Xi,j,i',-j',v (t) + 1とし、Xi,j,i',-j',v (t) = 1 ならばそのまま 1とする。
【００７２】
そして、Xi,j,i',-j',v (t+1)の値は、Ri,j,i',-j',v (t)が0のとき、もしXi,j,i',-j',v (t) > -1 ならば、Xi,j,i',-j',v (t) - 1とし、Xi,j,i',-j',v (t) = -1 ならば -1とする。
【００７３】
スロット<i,j,i',-j',v>の 結合探索ステータス値Ri,j,i',-j',v (t+1)は、結合探索確率Pi,j,i',-j',v(t)に基づいて決定される。仮に、結合探索確率Pi,j,i',-j',v(t)が0.7であれば、結合探索ステータス値Ri,j,i',-j',v (t+1)が１になる確率は0.7（70％）となる。（確率1-Pi,j,i',-j',vで確率は0.3となる）。
【００７４】
このとき、結合探索確率Pi,j,i',-j',v(t)は、ステップ tの「揺らぎ関数値 p 」と「バウンスバック信号強度値Si,j,i',-j',v」の関数として、次のように決定される：Pi,j,i',-j',v(t) = p(t) (1-Si,j,i',-j',v(t))。
【００７５】
揺らぎ関数 p(t)の例として、ステップ t でシステム全体において共有結合が成立しているスロットの数 B(t) の線形関数を示した。つまり、Xi,-j,i',j',1 が値 1 をとり、かつ、Xi,-j,i',j',0 が 0 以下の値をとり、かつ、 Xi,j,i',-j',1 が値 1 をとり、かつ、Xi,j,i',-j',0 が 0 以下の値をとることにより成立する共有結合の組み合わせの数、ひいては、相補的対の数に応じたものとしている。但し、この揺らぎ関数 p(t)は、対象とするシステムの物理化学的法則に応じて、適切な非線形関数により置き換えてもよい。また揺らぎ関数 p(t)は、計算時間やステップ数に応じた関数としてもよい。
【００７６】
バウンスバック信号強度 Si,j,i',-j',v(t)は、システムの結合ステータス値が各タイプのバウンスバック規則とマッチするときにスロット<i,j,i',-j',v>に加えられるバウンスバック信号の強度を、被検対象毎にすべてのタイプについて総和をとった値として決定される。次の節で詳細を説明する。本実施例で扱うバウンスバック規則は、UNQ、PAR、OCT、EXCの４種である。
【００７７】
先ずUNQは、唯一性"Uniqueness"の略記である。結合ステータス Xi,j,i',-j',1 (t)が値 1 をとるとき、原子 i と i' の間で価電子 j とその相補体 -j'（または相補体 j と価電子 -j'）による「相補的対」の形成が確定したことを意味するので、当該「相補的対」の不形成が確定したことを表すXi,j,i',-j',0 (t)= 1 という事態の発生を抑制する必要がある。同様に、Xi,j,i',-j',0 (t) = 1 のとき、Xi,j,i',-j',1 (t) = 1の発生を抑制する必要がある。そこで、すべてのスロット<i,j,i',-j',v>について、ステップ t でXi,j,i',-j',v (t) = 1  ならば、次ステップ t+1のバウンスバックタイプUNQの信号値をSi,j,i',-j',1-v UNQ (t+1) = sUNQと決定し、結合探索ステータスRi,j,i',-j',1-v (t+1)が1となる確率を低減する。sUNQとは、Ri,j,i',-j',1-v (t+1)が1となる確率であるが、パラメータとして任意に設定可能な具体的な値である。このsUNQを１以下でなおかつより大きめの値に設定することで、Ri,j,i',-j',1-v (t+1)が1となる確率を低減させることが可能となる。またXi,j,i',-j',v (t)が0以下ならば、Si,j,i',-j',1-v UNQ (t+1) = 0と決定する。
【００７８】
図３には、「X1,-1,2,4,0 (t) = 1 ならばS1,-1,2,4,1UNQ(t+1)= sUNQ」とのバウンスバック規則が示されている。これは、偽スロット<1,-1,2,4,0>が確定しているのであれば、当該偽スロットとペアを構成する真スロット<1,-1,2,4,1>が成立するのを阻止するように制御せよ、という意味である。また、図３には、「X1,-1,2,4,1 (t) = 1 ならばS1,-1,2,4,0UNQ (t+1)= sUNQ」というバウンスバック規則が示されている。これは、真スロット<1,-1,2,4,1>が確定しているのであれば、当該真スロットとペアを構成する偽スロット<1,-1,2,4,0>が成立するのを阻止するように制御せよ、という意味である。
【００７９】
即ちUNQは、真スロットにおける結合ステータスが閾値以上（“１”）の場合に、これと同一のサブユニットを構成する偽スロットのバウンスバック信号の強度値を向上させる処理を行う。またUNQは、偽スロットにおける結合ステータスが閾値以上（“１”）の場合に、これと同一のサブユニットを構成する真スロットのバウンスバック信号の強度値を向上させる。
【００８０】
PARは、ペア"Pair"の略記である。結合ステータス Xi,j,i',-j',1 (t)が値 1 をとるとき、原子 i と i' の間で価電子 j とその相補体 -j'（または相補体 j と価電子 -j'）による「相補的対」の形成が確定したことを意味するので、共有結合の成立のためには、相補体 -j と価電子 j'（または価電子 -j と相補体 j'）による「相補的対」の不形成が確定することを表すXi,-j,i',j',0 (t)= 1 という事態の発生を抑制する必要がある。そこで、ステップ t でXi,j,i',-j',1 (t) = 1  ならば、次ステップ t+1のバウンスバックタイプPARの信号値を、スロット<i,j,i',-j',1>についてSi,-j,i',j',0 PAR(t+1) = sPARと決定し、結合探索ステータスRi,-j,i',j',0 (t+1)が1となる確率を低減する。sPARを例えば１以下でなおかつより大きめの値に設定することで、Ri,-j,i',j',0 (t+1)が1となる確率を低減させることが可能となる。ただし、sPARはパラメータとして任意に設定可能な具体的な値である。あるスロット<i,-j,i',j',0 >に対し、複数のバウンスバックタイプPARの規則が適用される場合でもSi,-j,i',j',0 PAR(t+1)= sPARとし、当該規則が適用されない場合はSi,-j,i',j',0PAR(t+1)=0とする。
【００８１】
図３には、「X1,-2,2,5,1 (t) = 1 ならばS1,2,2,-5,0PAR(t+1)= sPAR」というバウンスバック規則が示されている。これは真スロット<1,-2,2,5,1>が確定しているのであれば、当該真スロットと相補的対を構成するスロットのペアにおいて、偽スロット<1,-2,2,5,0>が成立するのを阻止するように制御せよ、という意味である。同様に、「X1,2,2,-5,1 (t) = 1 ならばS1,-2,2,5,0PAR(t+1) = sPAR」というバウンスバック規則が示されている。これは真スロット<1,2,2,-5,1>が確定しているのであれば、当該真スロットと相補的対を構成するスロットのペアにおいて、偽スロット<1,-2,2,5,0>が成立するのを阻止するように制御せよ、という意味である。
【００８２】
即ち、PARは、真スロットにおける結合ステータスが閾値以上の場合に、当該真スロットを有するサブユニットと相補的対を形成する他のサブユニットの偽スロットのバウンスバック信号の強度値を向上させる処理を行う。
【００８３】
EXCは、排他性"Exclusivity"の略記である。結合ステータス Xi,j,i',-j',1 (t)が値 1 をとるとき、原子 i と i' の間で価電子 j とその相補体 -j'（または相補体 j と価電子 -j'）による「相補的対」の形成が確定したことを意味するので、価電子 j（または相補体 j）が、同時に-j' とは異なる他の相補体 -j'' （または価電子 -j''）と結合するという事態を抑制する必要がある。そこで、すべてのスロット<i,j,i',-j',1>について、ステップ t でXi,j,i',-j',1 (t) = 1  ならば、次ステップ t+1のバウンスバックタイプEXCの信号値を、すべてのユニット i'' とサブユニット -j''についてSi,j,i'',-j'',1 EXC(t+1)=sEXCと決定し、結合探索ステータスRi,j,i'',-j'',1 (t+1)が1となる確率を低減する。ただし、原子 i''は原子 i' と異なる原子であり、 sEXCはパラメータとして任意に設定可能な具体的な値である。あるスロット<i,j,i'',-j'',1>に対し、複数のバウンスバックタイプEXCの規則が適用される場合でもSi,j,i'',-j'',1EXC(t+1)=sEXCとし、当該規則が適用されない場合はSi,j,i'',-j'',1 EXC(t+1)0とする。
【００８４】
図３には、「X1,1,2,-4,1(t) =1 ならばS1,1,2,-5,1EXC(t+1)=S1,1,2,-6,1EXC(t+1)=S1,1,3,-7,1EXC (t+1)=S1,1,4,-8,1EXC(t+1)=S1,1,5,-9,1EXC(t+1)=S1,1,6,-10,1EXC(t+1)=S1,1,7,-11,1EXC(t+1)=S1,1,8,-12,1EXC(t+1)= sEXC」というバウンスバック規則が示されている。これは真スロット<1,1,2,-4,1>が確定しているのであれば、当該真スロットと相補的対を構成する可能性があるスロットのペアにおいて、真スロット<1,1,2,-5,1>、真スロット<1,1,2,-6,1>、真スロット<1,1,3,-7,1>、真スロット<1,1,4,-8,1>、真スロット<1,1,5,-9,1>、真スロット<1,1,6,-10,1>、真スロット<1,1,7,-11,1>、真スロット<1,1,8,-12,1>が成立するのを阻止するように制御せよ、という意味である。
【００８５】
即ち、このEXCは、真スロットにおける結合ステータスが閾値以上（“１”）の場合に、当該真スロットを有するサブユニットが相補的対を形成する可能性がある全ての他のサブユニットの真スロットのバウンスバック信号の強度値を向上させる処理を行っている。
【００８６】
OCT は、オクテット則"Octet"の略記である。すべての原子 i がオクテット則を満足する状態というのは、すべての価電子 j が、必ずいずれか一つの相補体 -j'と「相補的対」を形成している必要がある。裏を返せば、ある価電子 j が、すべての相補体 -j' と「相補的対」を不形成であることが確定する事態の発生を抑制する必要がある。そこで、各価電子 j について、ステップ t ですべての相補体 -j' についてのスロットにおいてXi,j,i',-j',0 (t) = 1 が成り立つならば、次ステップ t+1のバウンスバックタイプOCTの信号値を、それらすべてのスロット自身についてSi,j,i',-j',0OCT(t+1) = sOCTと決定し、結合探索ステータスRi,j,i',-j',0 (t+1)が1となる確率を低減する。ただし、sOCTはパラメータとして任意に設定可能な具体的な値である。あるスロット<i,j,i',-j',0>に対し、複数のバウンスバックタイプOCTの規則が適用される場合でもSi,j,i',-j',0OCT(t+1)=sOCTとし、当該規則が適用されない場合はSi,j,i',-j',0OCT (t+1)=0とする。
【００８７】
図３には、「X1,-1,8,12,0 (t) = 1 かつ X1,-2,8,12,0 (t) = 1 かつ X1,-3,8,12,0 (t) = 1 かつ X2,-4,8,12,0 (t) = 1 かつ X2,-5,8,12,0 (t) = 1 かつ X2,-6,8,12,0 (t) = 1 かつ X3,-7,8,12,0 (t) = 1 かつ X4,-8,8,12,0 (t) = 1 かつ X5,-9,8,12,0 (t) = 1 かつ X6,-10,8,12,0 (t) = 1 かつ X7,-11,8,12,0 (t) = 1 ならば、S1,-1,8,12,0 OCT(t+1)= S1,-2,8,12,0 OCT(t+1)= S1,-3,8,12,0 OCT(t+1)= S2,-4,8,12,0 OCT(t+1)= S2,-5,8,12,0 OCT(t+1)= = S2,-6,8,12,0 OCT(t+1)= S3,-7,8,12,0 OCT(t+1)= S4,-8,8,12,0 OCT(t+1)=S5,-9,8,12,0 OCT(t+1)= S6,-10,8,12,0 OCT(t+1) = S7,-11,8,12,0 OCT(t+1)= sOCT」というバウンスバック規則を示している。
【００８８】
これは、偽スロット<1,-1,8,12,0>、偽スロット<1,-2,8,12,0>、偽スロット<1,-3,8,12,0>、偽スロット<2,-4,8,12,0>、偽スロット<2,-5,8,12,0>、偽スロット<2,-6,8,12,0>、偽スロット<3,-7,8,12,0>、偽スロット<4,-8,8,12,0>、偽スロット<5,-9,8,12,0>、偽スロット<6,-10,8,12,0>、偽スロット<7,-11,8,12,0>が何れも確定であれば、これら全ての偽スロットが成立するのを阻止するように制御せよ、という意味である。
【００８９】
即ち、このOCTでは、一のサブユニットにおける全ての偽スロットにおける結合ステータスが閾値以上（“１”）の場合には、当該全ての偽スロットのバウンスバック信号の強度値を向上させる処理を行う。
【００９０】
なお、上述したバウンスバック規則UNQ、PAR、OCT、EXCは、何れも一例であり、他の異なるタイプのバウンスバック規則を必要に応じて導入することで、様々な物理化学的法則を表現することが可能である。ちなみに、このバウンスバック規則は、自在に書き換えることができることは勿論である。
【００９１】
各ステップ t において、すべてスロットの結合ステータス値Xi,j,i',-j',v (t)をモニターし、のバウンスバック規則にマッチするかどうかを評価する。このバウンスバック規則の適合性の判断は、そのスロットが真スロットであるか偽スロットであるか識別し、更にそれらスロットの結合ステータス値Xi,j,i',-j',v (t)を参照することで判断を行う。
【００９２】
これにより、すべてのタイプ（UNQ、PAR、OCT、EXC）のバウンスバック信号強度Si,j,i',-j',vType(t+1)が決定する。そして、次ステップ t+1の各スロット<i,j,i',-j',v>のバウンスバック信号強度Si,j,i',-j',v(t+1)は、当該スロットに対して適用されるすべてのタイプ（UNQ、PAR、OCT、EXC）のバウンスバック信号強度の総和をとり、Si,j,i',-j',v(t+1) =ΣType Si,j,i',-j',vType(t+1) =と決定される。このSi,j,i',-j',v(t+1)は全スロットにおいて求められる。このΣType Si,j,i',-j',vType(t+1) の意味するところは、上述したUNQ、PAR、OCT、EXCにより、次ステップt+1における結合探索ステータスRi,j,i',-j',1-v (t+1)が１になることを否定される度合いを示している。
【００９３】
これにより、次ステップ t+1の結合探索確率P,j,i',-j',v(t) = p(t) (1-Si,j,i',-j',v(t))が決定する。即ち、上述したΣType Si,j,i',-j',vType(t+1)が高くなると、次ステップt+1における結合探索ステータスRi,j,i',-j',1-v (t+1)が１になることを否定される度合が高くなり、結合探索確率Pi,j,i',-j',v(t)が低下する。これに応じて確率的に結合探索ステータスRi,j,i',-j',1-v (t+1)が決定し、その値に応じて結合ステータス値Xi,j,i',-j',v (t+1)が更新される。こうして、すべての変数が、すべてのスロットについて同期的に更新される。
【００９４】
こうしたバウンスバック規則に従うフィードバック制御にもとづいて状態変数の更新を行う方法を「バウンスバック制御」と呼ぶ。
【００９５】
全てのスロット<i,j,i',-j',v>について「Si,j,i',-j',v(t) ≦  θ ならば Xi,j,i',-j',v(t) = 1」または「Si,j,i',-j',v(t) > θ ならば Xi,j,i',-j',v(t) ≦ 0」が成り立つとき、システムの状態は「安定化条件」を満足すると言う。ただし、θは適当な閾値パラメータである。例えば、図３や図４で示されている結合ステータスの状態は、安定化条件を満たす。図４に注目すると、結合ステータスの値が１をとる全てのスロット（黒地に色付けされているスロット）に対しては、バウンスバック制御が掛かっておらず（抑制性の矢印で指し示されておらず）、結合ステータスの値が０以下となる全てのスロット（黒地に色付けされていないスロット）に対しては、バウンスバック制御が掛かっており（抑制性の矢印で指し示されており）、全スロットが次ステップ以降も同じ結合ステータス値をとり続け、システムの状態が安定化する確率が高い。  ステップ０において初期値 Xi,j,i',-j',v(0)、Ri,j,i',-j',v(0)、 Pi,j,i',-j',v(0) 、Si,j,i',-j',vを検証したい化学反応条件に適合するように設定し、上述の手続きを反復して適用することにより、システムは時間発展する。
【００９６】
そして、システムの状態が「安定化条件」を満たす状態に到達したとき、その状態は安定な分子が形成されていることを表現していることになる。
【００９７】
図３はシステムが到達した安定化条件を満たす状態の例である。黒地に色付けされたスロット< i,j,i',-j',v>では、結合ステータスXi,j,i',-j',vが値1をとっており、他の白色のスロットでは、0以下の値をとっている。これらの結合ステータス値は、原子を示すユニット[1]と[2]が窒素-窒素三重結合により窒素ガスを形成し、他の水素原子を示すユニット[3]〜[6]が２つずつ結合して、３つの水素ガスが形成されていることを表現している。図４は、もう一つの安定化条件を満たす状態の例である。そこでは、窒素原子を示すユニット[1]と水素原子を示すユニット[4],[6],[8]が、窒素原子を示すユニット[2]と水素原子[3],[5],[7]が共有結合して、２つのアンモニア分子が形成されている。図４には、この状態のすべての結合ステータスから生じるすべてのタイプのすべてのバウンスバック規則の適用を表示している。この状態が安定化条件を満たすことは、バウンスバック規則の適用を表す矢印の先端で指し示されているすべてのスロットの結合ステータスが0以下の値（白色）をとっており、かつ、結合ステータスが値1をとるすべてスロット（黒色）がバウンスバック規則の適用を表す矢印の先端で指し示されていないことからも確認することができる。
【００９８】
バウンスバック信号強度のパラメータ値(sUNQ, sPAR, sEXC,sOCT)や揺らぎ関数p(B)を適切に設定することにより、システムの「温度」に相当するバウンスバック制御の揺らぎの強度やそのシステム状態に対する依存性などを、目的に応じて調節することができる。
【００９９】
図５は、２個の窒素と６個の水素を入力した系において、揺らぎ関数p(t)としてステップ t で相補対の形成が確定したサブユニットの数の線形関数で最小値0.5と最大値1をもつものを用い、パラメータ値をそれぞれsUNQ=0.2, sPAR=0.2, sEXC=0.2, sOCT=0.2と設定した計算を５００回試行して得られた、最終的に形成された分子の種類とその分布を示している。そこでは、安定化条件を満たす状態が４種類発見された。それらは、二つのアンモニア分子を表現する状態、一つのヒドラジンを表現する状態、一つのジアゼンと二つの水素分子を表現する状態、そして１個の窒素と３個の水素分子を表す状態である。これらの状態が得られる分布は、揺らぎ関数p(t)の設定やパラメータ値(sUNQ, sPAR, sEXC,sOCT)を調節することにより変化する。さらに、時間発展を続けると、一旦形成された分子が不安定化して分解し、再び安定化して他の分子を形成する過程も、観察することができる。
【０１００】
また、各ユニットのサブユニットである価電子を、ユニットから分離・昇格させてユニットと同格に扱うこととし、新たに適切なバウンスバック規則を設定することで、解離、イオン化、ラジカル反応といった物理化学過程を表現することも可能である。
【０１０１】
このことは、本発明により、シミュレーションの条件を変え、試行を重ねることで、高速に未知の生成物質を発見でき、未知の化学合成経路や代謝経路を発見することができることを示唆している。
【実施例２】
【０１０２】
RNAは、４種類の塩基（A：アミン、U：ウラシル、G：グアニン、C：シトシン）をもつ複数のヌクレオチドが鎖状に結合（ホスホジエステル結合）した高分子である。この１本鎖RNAは、自らの相補的対（AとU、GとC）が水素結合することにより、様々な二次構造を形成する。以下では、任意の順番でA、U、G、Cが出現する１本鎖RNAの一次元配列を入力すると、複数のヌクレオチドが水素結合の成立や切断を試行錯誤的に行う過程で、相補的対の数を最大化できるような二次構造を形成して安定化したり、さらにその二次構造が水素結合の切断を経て他の二次構造へと遷移する時間発展過程のシミュレーションを実行するシステムの実施例を示す。
【０１０３】
このシステムにおいては、ユニットは「１本鎖RNA」であり、サブユニットはその１本鎖RNAがもつ鎖状に結合した「ヌクレオチド」である。４種類のヌクレオチドを、A、U、G、Cと略記する。
【０１０４】
相補的対となるのはヌクレオチドの対である。ただし、AとU、GとCのみが相補的対を形成できる。
【０１０５】
各サブユニットは、それと相補的対を形成可能な他のサブユニットと結合していることを表現する真スロットと、結合していないことを表現する偽スロットをもつ。
【０１０６】
以下では、このシステムに、ユニットとして１５個のヌクレオチドからなる１本鎖RNAの一次元配列を入力した場合の計算の進め方を示す。
【０１０７】
本システムに複数のユニットを入力して計算することは可能であるが、本実施例では、単一のユニットを入力する場合を考える。このため、以下の説明ではユニットに関する記述は省略する。
【０１０８】
図６に示すように、各ヌクレオチドをサブユニットiと記載する（i ∈ [1,2, ..., 15]）。サブユニットiが、それと相補的対を形成する可能性のあるサブユニットi'と結合していることを表す真スロットと、結合していないことを示す偽スロットを、それぞれスロット<i, i', 1>とスロット<i, i', 0>と記載する。
【０１０９】
このとき、サブユニットiが相補的対を形成する可能性のあるサブユニットi'とは、iがAのときはUであり、i がUのときはAであり、i がGのときはCであり、i がCのときはGである。
【０１１０】
このように、 iとi'が相補的対を形成できるようなサブユニットの組み合わせのみ存在し、各組み合わせにおける真スロット<i, i', 1>、偽スロット<i, i',0>のペアのみが存在する。ただし v は 0 または 1 である。
【０１１１】
図６に示される数字（１と０）の記入されたボックスが、このシステムに存在するスロットを示している。各スロット<i, i', v>は、「結合ステータス」と呼ばれ値 -1, 0, 1をとりうる変数 X i,i',v と、「結合探索ステータス」と呼ばれ値 0, 1をとりうる変数 Ri,i',v と、「結合探索確率」と呼ばれ 0から１までの実数値をとりうる変数 Pi,i',v と、「バウンスバック信号強度」と呼ばれ 0から１までの実数値をとりうる変数 Si,i',v をもつ。以下で上記４つの変数の意味とその更新方法を説明する。
【０１１２】
結合ステータスXi,i',1 は、値 1 をとるとき、ヌクレオチド i と i' の間で水素結合の形成が確定したことを意味する。結合ステータスXi,i',1 が 0 以下の値（ 0 または -1）をとるときは、水素結合の形成が未確定であることを示す。
【０１１３】
結合ステータスXi,i',0 が値 1 をとるとき、ヌクレオチド i と i' の間で水素結合の不形成が確定することを示す。結合ステータスXi,i',0 が 0 以下の値（ 0 または -1）をとるときは、水素結合の不形成が未確定であることを表す。
【０１１４】
そして、 Xi,i',1 が値 1 をとり、かつ、Xi,i',0 が 0 以下の値をとるとき、 ヌクレオチド i と i' が「相補的対」を形成することが確定する。一方、 Xi,i',0 が値 1 をとり、かつ、Xi,i',1 が 0 以下の値をとるとき、 ヌクレオチド i と i' が「相補的対」が形成しないことが確定する。
【０１１５】
ステップ t における、スロット< i,i',v >の結合ステータス値を Xi,i',v (t)と記述することにする。次ステップ t+1におけるXi,i',v (t+1)の値は、当該スロットの結合探索ステータス値Ri,i',v (t)が1のとき、もしXi,i',v (t) < 1 ならば、Xi,i',v (t) + 1とし、Xi,i',v (t) = 1 ならば 1とする。
【０１１６】
そして、Xi,i',v (t+1)の値は、Ri,i',v (t)が0のとき、もしXi,i',v (t) > -1 ならば、Xi,i',v (t) - 1とし、Xi,i',v (t) = -1 ならば -1とする。スロット< i,i',v >の結合探索ステータス値Ri,i',v (t)は、結合探索確率Pi,i',v (t)で値 1 をとる（確率1-Pi,i',vで値0をとる）。
【０１１７】
このとき、結合探索確率Pi,i',v (t)は、ステップ tの「揺らぎ関数値 p 」と「バウンスバック信号強度値Si,i',v」の関数として、次のように決定される：Pi,i',v (t) = p(t) (1-Si,i',v (t))。
【０１１８】
揺らぎ関数 p(t)の例として、ステップ t でシステム全体（ユニット全体）において形成されている相補的対の数 B(t) の線形関数を示した。揺らぎ関数 p(t)は、対象とするシステムの物理化学的法則に応じて、適切な非線形関数により置き換えても良い。
【０１１９】
バウンスバック信号強度 Si,i',v (t)は、システムの結合ステータス値が各タイプのバウンスバック規則とマッチするときにスロット<i,i',v>に加えられるバウンスバック信号の強度を、すべてのタイプについて総和をとった値として決定される。本実施例で扱うバウンスバック規則は、UNQ、EXC、ADJ、NERの４種である。それらのバウンスバック規則の詳細を以下説明する。
【０１２０】
UNQは、結合ステータス Xi,i',1 (t)が値 1 をとるとき、ヌクレオチド i と i' の間で水素結合の形成が確定したことを意味するので、当該水素結合の不形成が確定したことを表すXi,i',0 (t)= 1 という事態の発生を抑制する必要がある。同様に、Xi, i',0 (t) = 1 のとき、X i,i',1 (t) = 1の発生を抑制する必要がある。そこで、すべてのスロット< i,i',v>について、ステップ t でXi,i',v (t) = 1  ならば、次ステップ t+1のバウンスバックタイプUNQの信号値をS i,i',1-v UNQ (t+1)= sUNQと決定し、結合探索ステータスR i,i',1-v (t+1)が1となる確率を低減する。ただし、sUNQはパラメータとして任意に設定可能な具体的な値である。このsUNQを大きくするほど、R i,i',1-v (t+1)が1となる確率を低減できる。またXi,i',v (t)が0以下ならば、Si,i',1-v UNQ (t+1)= 0と決定する。
【０１２１】
図６では、偽スロット< 1,2,0>において、X1,2,0 (t) = 1  なので、真スロット< 1,2,1>が、結合探索ステータスR 1,2,1 (t) =１となる確率を低減させるように作用する。
【０１２２】
EXCは、結合ステータス Xi,i',1 (t)が値 1 をとるとき、ヌクレオチド i と i' の間で水素結合の形成が確定したことを意味するので、ヌクレオチド iが、同時にi' とは異なる他のヌクレオチドi''と結合するという事態を抑制する必要がある。そこで、すべてのスロット< i,i',1>について、ステップ t でX i,i',1 (t) = 1  ならば、次ステップ t+1のバウンスバックタイプEXCの信号値を、iと対形成する可能性のある他のすべてのサブユニット i''についてSi,i'',1 EXC (t+1)= sEXCと決定し、結合探索ステータスRi,i'',1 (t+1)が1となる確率を低減する。ただし、sEXCはパラメータとして任意に設定可能な具体的な値である。あるスロット< i,i'',1>に対し、複数のバウンスバックタイプEXCの規則が適用される場合でもSi,i'',1EXC (t+1) =sEXCとし、当該規則が適用されない場合はSi,i'',1EXC(t+1)=0とする。
【０１２３】
図６では、真スロット< 6,14,1>において、X6,14,1 (t) = 1  なので、他の真スロット<3,6,1><4,6,1><5,6,1><6,7,1><6,10,1><6,11,1>< 6,12,1>< 6,15,1>の結合探索ステータスRi,i'',1 (t+1)が1となる確率を低減させる。
【０１２４】
ADJは、隣接性"Adjacency"の略記である。結合ステータス Xi,i',1 (t)が値 1 をとるとき、ヌクレオチド i と i' の間で相補的対が形成されていること意味する。このとき、もしiの２つの隣接ヌクレオチドi-1とi+1とi'の２つの隣接ヌクレオチドi'-1とi'+1の中に相補対を形成可能な組合わせが含まれていれば、それらが隣接して相補対を形成することが望ましいので、それらの相補的対の不形成が確定することを表すXi-1,i'-1,0 (t)= 1, Xi-1,i'+1,0 (t)= 1, Xi+1,i'-1,0 (t)= 1, Xi+1,i'+1,0 (t)= 1 という事態の発生を抑制する必要がある。そこで、全ての真スロット<i,i',1>につき、ステップ t でXi,i', 1 (t) = 1  ならば、次ステップ t+1のバウンスバックタイプADJの信号値を、Si-1,i'-1,0 ADJ(t+1) = S i+1,i'-1,0 ADJ(t+1) = S i-1,i'+1,0 ADJ(t+1) = S i+1,i'+1,0ADJ (t+1) = sADJと決定し、結合探索ステータスR i-1,i'-1,0 (t+1) = Ri+1,i'-1,0 (t+1) = R i-1,i'+1,0 (t+1) = R i+1,i'+1,0 (t+1)が1となる確率を低減する。ただし、sADJはパラメータとして任意に設定可能な具体的な値である。図６には、ADJ則のうち「X6,14,1 (t) = 1 ならばS7,13,0ADJ (t+1) = sADJ」と「X7,13,1 (t) = 1 ならばS6,14,0ADJ (t+1) = sADJ」が示されている。
【０１２５】
つまり、真スロット< 6,14,1>においてX6,14,1 (t) = 1である場合には、これと隣接するサブユニットにおいて相補的対が不形成となるのを防ぐように、偽スロット<7,13,0>が選択される確率が低くなるように制御する。同様に真スロット< 7,13,1>においてX7,13,1 (t) = 1である場合には、これと隣接するサブユニットにおいて相補的対が不形成となるのを防ぐように、偽スロット< 6,14,0>が選択される確率が低くなるように制御する。
【０１２６】
NERは、最近接"Nearest"の略記である。もしヌクレオチドiがその最近接ヌクレオチドi+1と相補対を形成可能であったとしても、最近接サイトでの相補対形成は１本鎖RNAでは困難なので、その相補的対の形成が確定することを表すXi,i+1,1 (t)= 1という事態の発生を抑制する必要がある。そこで、全ての真スロット<i,i',1>につき、ステップ t でXi,i+1,1 (t) = 1  ならば、次ステップ t+1のバウンスバックタイプNERの信号値を、Si,i+1,1 NER (t+1) = sNERと決定し、結合探索ステータスRi,i+1,1 (t+1) が1となる確率を低減する。ただし、sNERはパラメータとして任意に設定可能な具体的な値である。図６には、すべてのNER則「X1,2,1 (t) = 1 ならばS1,2,1NER(t+1) = sNER」「X5,6,1 (t) = 1 ならばS5,6,1NER(t+1) = sNER」「X6,7,1 (t) = 1 ならばS6,7,1NER(t+1)= sNER」「X8,9,1 (t) = 1 ならばS8,9,1NER(t+1)= sNER」「X12,13,1 (t) = 1 ならばS2,13,1NER(t+1) = sNER」「X13,14,1 (t) = 1 ならばS13,14,1NER(t+1) = sNER」が示されている。
【０１２７】
即ち、スロット<6,7,1>において、既に水素結合を作ることができないため、X6,7,1 (t) = 1 ならば、次のステップにおいて当該スロット<6,7,1>に相補的対が形成されないように制御する。同様にヌクレオチドiがその最近接ヌクレオチドi+1との間で、相補的対が形成されないように制御する。
【０１２８】
この他にも異なるタイプのバウンスバック規則を必要に応じて導入することで、二次構造形成にかかわる様々な物理化学的法則を表現することが可能である。
【０１２９】
この実施例２におけるバウンスバック制御も実施例１と同様の方法で実行される。各反復ステップ t において、すべての結合ステータス値Xi,i', v (t)をモニターし、上記のバウンスバック規則にマッチするかどうかを評価することにより、すべてのタイプのバウンスバック信号強度Si,i',v Type(t+1)を決定する。そして、次ステップ t+1の各スロット< i,i',v >のバウンスバック信号強度Si,i',v (t+1)は、当該スロットに対して適用されるすべてのタイプのバウンスバック信号強度の総和をとり、Si,i',v (t+1) = ΣType S i,i',vType(t+1)と決定される。
【０１３０】
これにより、次ステップ t+1の結合探索確率Pi,i',v (t) = p(t) (1-Si,i',v (t))が決定し、それに応じて確率的に結合探索ステータスRi,i',v (t+1)が決定し、その値に応じて結合ステータス値Xi,i',v (t+1)が更新される。こうして、すべての変数が、すべてのスロットについて同期的に更新される。
【０１３１】
すべてのスロット< i,i',v >について「Si,i',v (t) ≦  θ ならば Xi,i',v (t) = 1」または「Si,i',v (t) > θ ならば X i,i',v (t) ≦ 0」が成り立つとき、システムの状態は「安定化条件」を満足すると言う。ただし、θは適当なしきい値パラメータである。
【０１３２】
ステップ 0 において初期値 Xi,i',v (0)、Ri,i',v (0)、 Pi,i',v (0) 、Si,i',vを適当に設定し、上述の手続きを反復して適用することにより、システムは時間発展する。
【０１３３】
そして、システムの状態が「安定化条件」を満たす状態に到達したとき、その状態は安定なRNA二次構造が形成されていることを表現していることになる。
【０１３４】
バウンスバック信号強度のパラメータ値(sUNQ, sEXC, sADJ, sNER)や揺らぎ関数p(B)を適切に設定することにより、システムの「温度」に相当するバウンスバック制御の揺らぎの強度やそのシステム状態に対する依存性などを、目的に応じて調節することができる。
【０１３５】
図６の結合ステータスが示す状態は、一つの安定構造の例である。さらに、時間発展を続けると、一旦形成された二次構造が不安定化して分解し、再び安定化して他の二次構造を形成する過程も、観察することができる。このことは、本発明により、シミュレーションの条件を変え、試行を重ねることで、高速に未知の二次構造を発見し、その動態を予測することができることを示唆している。
【実施例３】
【０１３６】
RNAは、４種類の塩基（A：アミン、U：ウラシル、G：グアニン、C：シトシン）をもつ複数のヌクレオチドが鎖状に結合（ホスホジエステル結合）した高分子である。この１本鎖RNAは、自らの相補的対（AとU、GとC）が水素結合することにより、様々な二次構造を形成する。以下では、任意の順番でA、U、G、Cが出現する１本鎖RNAの一次元配列を入力すると、複数のヌクレオチドが水素結合の形成や切断とホスホジエステル結合の形成や切断を試行錯誤的に行う過程で、相補的対の数を最大化できるような二次構造を形成して安定化する振る舞い、その二次構造が水素結合の切断を経て他の二次構造へと遷移する振る舞い、さらにホスホジエステル結合の形成や切断により１本鎖RNAの一部を切り取って２本鎖RNAに分裂するスプライシングと呼ばれる振る舞いを示したりする時間発展過程のシミュレーションを実行するシステムの実施例を示す。
【０１３７】
このシステムにおいては、ユニットは「１本鎖RNA」であり、サブユニットはその１本鎖RNAがもつ鎖状に結合した「ヌクレオチドの水素結合を表現する部分」と「ヌクレオチドのホスホジエステル結合を表現する部分」である。４種類のヌクレオチドを、A、U、G、Cと略記する。
【０１３８】
相補的対となるのは、各ヌクレオチドの水素結合を表す対と、各ヌクレオチドのホスホジエステル結合を表す対である。ただし、AとU、GとCのみが水素結合による相補的対を形成できる。
【０１３９】
各サブユニットは、それと相補的対を形成可能な他のサブユニットと結合していることを表現する真スロットと、結合していないことを表現する偽スロットをもつ。
【０１４０】
以下では、このシステムに、ユニットとして実施例２で述べたものと同じ１５個のヌクレオチドからなる１本鎖RNAの一次元配列を入力した場合の計算の進め方を示す。
【０１４１】
本システムに複数のユニットを入力して計算することは可能であるが、本実施例では、単一のユニットを入力する場合を考える。このため、以下の説明ではユニットに関する記述は省略する。
【０１４２】
図７に示すように、各ヌクレオチドの水素結合を表す部分(Hと表記)をサブユニットiと記載する（i ∈ [1,2, ..., 15]）。各ヌクレオチドのホスホジエステル結合(Pと表記)を表す部分をサブユニットjと記載する（j ∈ [1,2, ..., 15]）。
【０１４３】
サブユニットiが、それと相補的対を形成する可能性のあるサブユニットi'と結合していることを表す真スロットと、結合していないことを示す偽スロットを、それぞれスロット<i, i', 1>とスロット<i, i', 0>と記載する。
【０１４４】
サブユニットjが、それと相補的対を形成する可能性のあるサブユニットj'と結合していることを表す真スロットと、結合していないことを示す偽スロットを、それぞれスロット<j, j', 1>とスロット<j, j', 0>と記載する。
【０１４５】
このとき、サブユニットiが相補的対を形成する可能性のあるサブユニットi'とは、iがAのときはUであり、i がUのときはAであり、i がGのときはCであり、i がCのときはGである。このように、 iとi'が相補的対を形成できるようなサブユニットの組み合わせのみ存在し、各組み合わせにおける真スロット<i, i', 1>、偽スロット<i, i',0>のペアのみが存在する。サブユニットjが相補的対を形成する可能性のあるサブユニットは、すべてのホスホジエステル結合が成立する可能性のあるサブニットjであり、真スロット<j, j', 1>、偽スロット<j, j',0>のペアが存在する。
【０１４６】
図７に示される数字（１と０）の記入されたボックスが、このシステムに存在するスロットを示している。各スロット<i, i', v>は、「水素結合ステータス」と呼ばれ値 -1, 0, 1をとりうる変数 X i,i',v と、「水素結合探索ステータス」と呼ばれ値 0, 1をとりうる変数 Ri,i',v と、「水素結合探索確率」と呼ばれ 0から１までの実数値をとりうる変数 Pi,i',v と、「水素結合バウンスバック信号強度」と呼ばれ 0から１までの実数値をとりうる変数 Si,i',v をもつ。ただし、vは0または１である。各スロット<j, j', v>は、「ホスホジエステル結合ステータス」と呼ばれ値 -1, 0, 1をとりうる変数 X j,j',v と、「ホスホジエステル結合探索ステータス」と呼ばれ値 0, 1をとりうる変数 Rj,j',v と、「ホスホジエステル結合探索確率」と呼ばれ 0から１までの実数値をとりうる変数 Pj,j',v と、「ホスホジエステル結合バウンスバック信号強度」と呼ばれ 0から１までの実数値をとりうる変数 Sj,j',v をもつ。
【０１４７】
本システムにおいても、実施例１や実施例２と同様に適切にバウンスバック規則を設定することで、一本鎖RNAが安定な二次構造を形成する過程や、一旦形成された二次構造が不安定化して分解し、再び安定化して他の二次構造を形成する過程、さらに、ホスホジエステル結合の形成や切断により１本鎖RNAの一部を切り取って２本鎖RNAに分裂するスプライシング等の自己編集的振る舞いを再現することができる。そして、シミュレーションの条件を変え、試行を重ねることで、高速に未知の二次構造を発見し、その動態を予測したり、スプライシング等の自己編集的振る舞いを高確率で実現できるヌクレオチド配列などを発見することができる。
【実施例４】
【０１４８】
実施例１、２に示したように、本発明を適用した物質探索システム５０は、バウンスバック規則と揺らぎを伴う探索アルゴリズムを組み合わせることにより、試行錯誤しながら状態空間を探索する過程で、バウンスバック規則による抑制を受けない状態に到達するとき安定化し、望ましい結果が得られる仕組みになっている。
【０１４９】
バウンスバック規則を適切に設定することにより、単位的ユニットやサブユニットの時間的、空間的、システム的な規模を任意に選択でき、共有結合（ペプチド結合、ホスホジエステル結合、ジスルフィド結合）、水素結合、イオン結合、疎水性相互作用、電気陰性度といった、生体現象に見られる様々な化学結合、相補性、物理化学的法則を導入できる。例えば、一本鎖RNAの一次元ヌクレオチド配列を入力すると、それが実現するスプライシング機能を発揮する現象や、一次元アミノ酸配列を入力すると、それらが形成するタンパク質が折り畳まれて安定な三次構造を形成する現象や、鍵と鍵穴の関係にあって相補的に結合できる複数のタンパク質を入力すると、それらが酵素活性をもって化学反応を触媒する現象などの、縮約されたダイナミクスを自在に表現することができる。したがって、適切にバウンスバックルールと揺らぎを設定することで、多種多様な物理化学的過程を高速にシミュレーションすることが可能になる。そして、時間的、空間的、システム的に大規模な生体高分子の化学反応動力学を再現し、多様な合成経路や代謝経路の探索が可能となるものと期待できる。例えば、スプライシング機能をもつRNA配列の探索や、タンパク質の安定な三次構造の予測、酵素活性をもつタンパク質（アミノ酸配列）の探索といった目的にも応用することができる。
【符号の説明】
【０１５０】
５０  物質探索システム
５１  結合探索ステータス生成部
５２  結合ステータス増減部
５３  バウンスバック信号送信部
５４  結合探索確率算出部
５５  物質推定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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