バイオインフォマティクス研究における種々のライフサイエンスデータベースの高度利用◯石井清一郎1, 土門優作1, 吉田尚恵1,2, 武田伊織1, 小野洋一3, 中野善夫4, 山岸賢司11日本大学大学院工学研究科, 2JSPS特別研究員DC, 3日本大学産官学連携知財センター, 4日本大学歯学部

生体分子に対する分子シミュレーション解析■ Protein Data Bank

新機能性核酸分子の設計

構造データの登録数

核酸分子（RNAアプタマー）
・ 約20～80塩基からなる一本鎖の短いRNA分子・ 柔軟性が高く、多様な立体構造を形成することが可能

The Protein Data Bank (PDB) was established as the
1st open access digital data resource in all of biology
and medicine. It is today a leading global resourcefor experimental data central to scientific discovery.

PDBアーカイブのデータ数の変異
PDBjによって登録・編集が行われたデータ数
中村春樹, et al.,生物物理 58（2），071-077（2018）.

医薬品や新機能性分子として多くのポテンシャルをもつ

塩基配列の違いや化学修飾がRNAアプタマーの立体構造に与える影響の解析

生体分子に対する分子シミュレーション解析

RNAアプタマー

ヒト抗体
（IgG）

A19(R) - Arg344

G5(R) - Lys338

U6(R) - Arg344

U21(R) - Lys370

G16(R) - Lys340

U6(R) - Lys340

A15(R) - Lys340

C8(R) - Lys340

U6(R) - Lys338

U21(R) - Arg344

・ヒト抗体とRNAアプタマーとの複合体構造に対するダイナミクスの解析
15

結合活性を示すRNAアプタマー
結合活性が消失するRNAアプタマー

12-20

Distance [Å]Interaction Energy[kcal/mol]

0C20(R) - Arg344

・ヒト抗体とRNAアプタマーとの相互作用解析

分子動力学計算によるダイナミクス解析

G7(R) - Lys340

量子化学計算による相互作用エネルギー解析-134.29[kcal/mol]

-40

NP-60

963-80-100G70N(B) : 塩基部位
N(R) : リン酸・リボース部位-120

結晶構造 3.43Å
0250-140500

7501000
Time [nsec.]

1250

1500

AR技術を用いた分子構造表示システムの開発■ Cambridge Crystallographic Data Centre

分子構造AR (Augmented Reality)表示システム
機能①：画面右上に配置されたボタンを押すと、表示形式が切り替わる

分子の化学式を組み込んだマーカーを撮影することで認識
3D分子モデルを画面越しの現実空間に重ねて表示

The Cambridge Structural Database (CSD) isthe world’s comprehensive and up-to-date
database of fully validated crystal structures.
The 2018 release contains over 900,000 entries– an increase of more than 60,000 entries!
https://www.ccdc.cam.ac.uk/

棒モデル(stick)

化学式から直接3D分子モデルが出現するため一貫して認識することができ、高い学習効果を発揮する

分子構造をAR(拡張現実)技術 により表示できる携帯端末の開発①ARマーカーを化学式としたシステム

機能②：画面スライドを行うと、同じ方向にモデルが回転する

球棒モデル(ball&stick)

空間充填モデル(CPK)③ARマーカーを分離し「化学かるた」としたシステム
化学式マーカーの認識システム内での処理

名称マーカーの認識一致
認識マーカーの上に被さるように分子情報のパネルが出現

分子の立体構造が3Dモデルとして出現

認識

認識マーカーの上に分子モデルが出現し、同時にその分子の情報を閲覧することができる

化学式マーカーに対応するスイッチXがON

X

X

名称マーカーに対応するスイッチXがON②ARマーカーを化学式パズル化したシステム

X

表示

X

Y

非表示

モデルが表示されるA
マーカーを炭素・水素・ボンドの三種類のパーツとする

X

認識

三種類のパーツで自由に化学式を構築

AAA

表示

組合せに応じた3Dモデルが出現

組み合わせたパズルで描かれた分子を立体化させ、視覚的に捉えることができる

フラーレンの化学式マーカー

フラーレンの名称マーカー

フラーレンの3Ⅾモデル

ゲノム解析■ NCBI

16S rRNA遺伝子に依存しない全ゲノム領域Ｎグラム配列に基づく細菌叢解析法の開発（National Center for Biotechnology Information ）■解析プロトコルのフローチャート

As a national resource for molecular biology information, NCBI's
mission is to develop new information technologies to aid in theunderstanding of fundamental molecular and genetic processes that
control health and disease. More specifically, the NCBI has been
charged with creating automated systems for storing and analyzingknowledge about molecular biology, biochemistry, and genetics

・𝒌-mer解析 (Nグラム配列の作成)

NCBI
データベースA G C T T T T ......... G A C T G C A
𝟏 AG𝟐GC
𝟑 CT32 64
E. albertii strain4

E. albertii strain556

E. coliE. albertii strain7

E. albertii strain10
E. albertii strain114363

S. flexneri① Shigella dysenteriae Sd197

E. coli strain1
S. dysenteriae③ Shigella sonnei 53G main73②③④Shigella
Shigella

④99

①2000
2000

100

②0E.coli・Escherichia属 coli種 ：４株

２ Escherichia coli O157:H7 str. Sakai

E. coli strain4S. entenca

Escherichia属coli種とShigella属の分類ができない阿部祐樹, et al., 平成29年度愛媛衛環研年報, 20, 1-5 (2017).

４ Escherichia coli str. K-12 substr. W3110③674000
4000

06000

E. coli strain374①

１２３４E.coli
E.coli

３4000
4000

53

４100

2000
2000

１

３ Escherichia coli BL21(DE3)

E. coli strain281

Shigella④ Shigella flexneri 2a str. 2457T

S. sonnei

7060006000

系統樹解析② Shigella boydii Sb227

１ Escherichia coli CFT073

E. fergusonii

89・Shigella属 ：４株

E. albertii strain969

𝑬. 𝒄𝒐𝒍𝒊

𝑺𝒉𝒊𝒈𝒆𝒍𝒍𝒂E. albertii strain83767

S. flexneri
S. dysenteriae
S. sonnei
S. entenca

E. albertii strain6

58

系統樹解析

9900

AAA&TTT
AAC&TTG
AAG&TTC
AAT&TTA
ACA&TGT
ACC&TGG
ACG&TGC
ACT&TGA
AGA&TCT
AGC&TCG
AGG&TCC
AGT&TCA
ATA&TAT
ATC&TAG
ATG&TAC
ATT&TAA
CAA&GTT
CAC&GTG
CAG&GTC
CAT&GTA
CCA&GGT
CCC&GGG
CCG&GGC
CCT&GGACGA&GCT
CGC&GCG
CGG&GCC
CGT&GCA
CTA&GATCTC&GAG
CTG&GAC
CTT&GAA50

正規化

連続塩基配列の分布E. albertii strain2
E. albertii strain3

E. albertii
E. fergusonii

シゲラ属
ShigellaE. albertii strain129

株名の重複検索

連続塩基配列をカウント

𝒌−𝒎𝒆𝒓解析82

assemblysummary■バクテリアゲノムに対する適用■バクテリアゲノムに対する16S rRNA塩基配列解析
エシェリキア属
Escherichia

𝑘=2の分布Genomehttps://www.ncbi.nlm.nih.gov/

16S rRNA遺伝子による系統解析法の課題⇒ 近縁種の分類ができない

・連続塩基配列の分布２⇒ 16S rRNA遺伝子による系統樹解析では困難なEscherichia属coli種とShigella属の判別が可能に
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