男1絲氏4

2 (課程博士(和文))平成 30年

情報・知能工学専攻

氏名

納本

今を条曾?fl・号・第 D129301号

指導教員

1児

9日

石円好舞

後藤仁志

1早

論文内容の要旨(博士)
博士学位論文名

生体分子拡散モデルにおけるトレンド除去解析に関する研究(要旨に00字程度)
DFA (Detrended Fluctuation Analysis,トレンド除去ゆらぎ解析)は時系列データのトレンドを除去し解析し,そのデータ変動に内在tるフラクタノレ性,自己相関性,ν甜岳らぎ等確率過程の特徴を得る手法である.生体現象,自然現象等のさまざまな解析に適用された.近午分子科学のタンパク質の研究では,化学nり性質の揺らぎが化学反応を決定する重要な要因に成っているとする報告があるが,これまでDFAを分子科・学分野で揺らぎの解析に適用する事は稀であった.分
子科学分野において,特有な揺らぎを発生する生体分子の拡散現象を対象に, DFAの適用の可能性と,それによる新たなる知見を探る,生体システム等ナノスケールの構造体では,大きな特徴として分子の拡散現象から発する揺らぎが観測される.これは構造体で起きている事に起因tるので,これを明らかにtる事は,ナノスケールの分子部品群を御Π卸するナノマシン,人工細胞を組上げる技術確立や生命活動の様々な末解明問題の解明や,医学や治療法の開発に寄与が期待される.生体分子の拡散現象は複雑な構造を持っ対象が複雑な障害を受ける過程になり,大規模で複雑なモテルを検討する事になる方を単純化した研究課題にDFAを適用し,この最適化を探った
まず,マイクロチップ電気泳動法の分雛プロセス模倣の為に,ランジュバン方程式による分子動力学シミュレーションを行った.外力のある条件でポリマをピラーに衝突させ揺らぎを生じさせてぃる.そのトラジェクトリをDFAで解析し,その揺らぎがポリマ長に深く影響を受ける事を確認した.ポテンシャルエネルギや質点中心の動きの揺らぎの性質が変わった.この揺らぎの特徴により分籬メカニズムを分類できた

次に,細胞膜の機能は膜骨格フェンス内でブラウン運動する膜貫通タンパク質の離散集合で発現するとされるが,二次元格子細胞膜モデル上で一粒子ランダムウォークによる拡散運動のシミユレーションを行った.一粒子を膜骨格フェンスモデノレとアンカード膜タンパク質ピケットモテ
ルの二っのモデルという複雑な動きをする障害が制御し,二段階拡散運動させ,揺らぎを発生させるものである. DFAによりこの三っのモデルは,それぞれ異なった時問域で揺らぎを生み,段階の拡散過程ではその混合が生じている事を確認した.さらに,その細胞膜内の膜貫通タンパ
ク質の揺らぎは,%剛泡が生体システムの最深基盤である事から,より上位組織や器官で観測される,神経伝達システムや心筋運動で観測される揺らぎに対する根源的要素,すなわち起源であると考えても良いだろう

今後,上位下位の牛体要素の関連性解明にDFAは有力な解析手段になると考えるが,細胞膜の時間的特徴と神経ニューロン等上位構造の生体要素が持っ時問的特徴の比較に,より複雑なシミュレーションが想定され,これには二っの研究課題の知見を合わせていきたい.生体システムから観測される揺らぎの起源を明らかにし,生命活動のさまざまな未解明問題の解明や,その揺らぎのバランスが崩れる事によって生じるとされるアノレツハイマー病の発症,エイズウィルスやBSE(Bovinespon部formEncephalopathy,牛海綿状脳症)等の医学や治療法の開発に寄与する為に,DFAとランダムウォークモデルを進化させて行きたいと考える

男1俳氏 4

1 (課程博士(英文))Date of submission (month day, year)

9,

2018

Department

Computer science andStudenuD Number

D129301

Engineerin
Pphca11fs nameYoshiteru lshidaSupervisors
Hitoshi GotoAtsushi okumoto

Abst"act (Doctor)
Title ofThesis

Stady on Detrended auctuation analysis in biomolecular diausion models

Approx.80o words

DFA(Detrended Fluctuation Analysis) is a method to obtain characteristics of stochastic processes
Such as fractal property, autocorrelation,1/f auctuation inherent in the data variation by removing andanalyzing the trend of time series data.1t is applied to various analyzes such as bi010gical and natural
Phenomena.1n recent years, there have been reports that auctuations in chemical propetties are importantfactors for determining chemical reactions in protein science research ofmolecular science.
However, it was rare to apply DFA to auctuation analysis in the field of molecular science.1n the field of
molecular science, we explore the possibility of application of DFA and neW 丘ndings based on diffusion
Phenomena of biomolecules that generate unique auctuations.1n nanoscale stNctures such as bi010gicalSystems, auctuations arising from the dif丘Ision phenomenon ofmolecules are observed as a major feature
Because this is due to what is happening in the structure, to clarify this is expected to conttibute to theestablishment of techn010gy for assembling nanomachines and artificial ce11S that control nanoscale

molecular components, elucidation of various unresolved problems of Hfe activities, and development of
mediC血e and therapy.1n the dif6.1Sion phenomenon of biomolecules, objects with compHcated structures
become processes undergoing complicated obstacles, and large・scale and complicated models wi11 beexamined. we applied DFA to a research topic that simplified one of the two and examined theOptimization of such a model.

First, in order to mimic the separation process of microchip electrophoresis, molecular dynamics
Simulation by Langevin equation was performed. The polymer c011ides with the pi11ar under conditions ofexternal force to cause auctuation. we analyzed the trajectory with DFA and confirmed that theauctuation is deeply affected by the polymer length.1he nature of the auctnation of the potential energy
and movement center point changed. The separation mechanism could be classified by the characteristic of
this auctuation

Next, the 61nction of the ce11 membrane is expressed by discrete and aggregation of transmembrane
Proteins that undergo Brownian motion within the membrane cytoskeletal fence, and we performed
Simulation of diffusion motion by one particle random walk on the two dimensiona11attice model of ce11
membrane. complex obstacles of the membrane‑cytoskeleton fence model and the anchored・membrane
Protein picket model contr01 0ne particle and generate two・stage diffusion movement and auctuation.
Xvith DFA, we confirmed that these two models produce auctuations in different time 20nes and thatmixing occurs in the two・stage dif丘Ision process̲Furthermore, since ceⅡS are the deepest foundation ofbi010gical systems, the auctuation of the transmembrane protein in the ce11 membrane may be considered
to be the fundamental elementto the auctuation observed in the neurotransmission system and myocardial
movement observed in the superior tissues and organs

From now on, we consider DFA to be a powerful analyticaltool for elucidating the relevance ofupper and10wer bioelements. A more complicated simulation is assumed to colnpare the temporal features of theCe11Ular membrane temporal features and the neuronal neuron and other bioelements, and for this purpose
We would Hke to combine the knowledge of the two research topics.1n order to clarify the origin of theauctuation observed from the bi010gical system and contribute to elucidation of various unresolved
Problems of life activities, and the development of medicine and therapy such as the onset of Alzheimer'S

disease, AIDS V廿Us and BSE(Bovine spongiform Encephalopathy), which are caused by the imbalance ofSuch auctuation, we would like to evolve DFA and random walk model.