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計算生命科学の基礎Ⅱ   (→終了しました)

生命科学と理工学の理工学の融合による生命理解と健康・医療への応用[全15回]

 >>>>>>>>>>>>>2016年度「計算生命科学の基礎Ⅲ」受講申込み受付スタートしました!>>>>>>>>>>>>

生物学、医学・薬学、農学などの生命科学は20世紀後半に飛躍的な発展を遂げ、21世紀は「生命科学の時代」とも言われている。その科学技術的背景には、1970年前後からはじまるゲノムDNAの塩基配列解読技術やDNAマイクロアレイ技術、さらには2005年からはじまった次世代シークエンサー技術などがある。そして今や、生命科学は最新鋭の計測技術と膨大な実験データに支えられた情報科学としての側面を強めている。 生命科学を志す皆さんは、意識するとしないにかかわらず、研究室にある実験・計測装置から生み出される大量のデータ、世界的に公開されている膨大な生命科学データベースを基盤に研究を進めることが求められている。iPS細胞の研究においてもその出発点にマウスの各種細胞で発現している遺伝子情報のデータベースがあった。また、自然免疫を担う受容体の研究の出発点にも膨大なヒトゲノムの塩基配列データベースがあった。 一方、理学、工学を志す皆さんには、その基礎的な原理を生命科学に生かしていく場がますます求められている。そこでは計算科学が重要な役割を果たしている。核酸やタンパク質などの分子から細胞に至る構造・機能解析のために、分子動力学シミュレーションや量子化学計算、さらにはデータマイニングなど多くの先進的な研究がなされてきた。 2013年のノーベル化学賞は古典力学と量子力学を統合した研究「複雑な化学システムのためのマルチスケール・モデル」の開発に与えられている。その授賞理由には「もっとも重要なことは、マルチスケール・モデルは理論と実験の実りある協力関係を作り上げ、他の方法では解けない問題をも解く道を切り拓いた」と書かれている。ここでのマルチスケールは学際的と読み替えてもいい。 ここでは、生命科学と理工学の接点をなす計算生命科学の基礎を講義し、皆さんが21世紀に必須とされる学際的研究を進められるために必要な基礎的知識を提供する。

 【受講予定者のみなさまへ】 WebEX接続方法および受講にあたっての注意事項を掲載しましたのでご一読ください    

 

       ※お知らせ※遠隔インタラクティブ講義「計算生命科学の基礎II」聴講にご登録の皆様へ

・ご登録の皆様は通知用のメーリングリストに登録させていただいておりますが、このメーリングリストへの返信は出来ません。

ご連絡はoffice[at]eccse.kobe-u.ac.jp までお願いします。

・招待メールの送付は前日にいたしますが、リマインダとして講義当日16時15分までに再送付されますのでご確認ください。

・講義当日の16時45分から音楽等の音声をWebEXにて流しますので、講義開始17時までに接続し、映像や音声のご確認をお願いします。ただし第13回(1月20日)については、会場の都合で17時からの接続となりますのでご注意下さい。

・音声が聞こえない場合は、一旦WebEXを終了し、再度ログインをした後、「コンピューターを使って通話」をダブルクリックしてみてください。また、PCのスピーカーがミュートになっていないかもご確認ください。

・講義当日のご質問については、WebEXのチャット機能をご利用下さい。当日時間の都合上、全ての質問にお答えできない場合はHPで後日確認できるようにしたいと考えています。

 

 

日程 2015/10/7(水)~ 2016/2/3(水) 毎週水曜日  17:00~18:30
場所

メイン会場: 神戸大学工学部本館1階 C3-101(創造工学スタジオ2) ※神戸大学(六甲台キャンパス)は、立地場所的に11月頃よりかなり寒くなりますので、講義会場で受講される方は暖かい服装でお越しください。

 

中継会場(東京): 産業技術総合研究所 臨海副都心センター 別館10階 会議室

(学外からはWebEXによる受講が可能。事務局からの招待状メールの指示に従って、PC・モバイルからWebEXにログインするだけで、どこからでも参加可能)

 

対象者 大学生、大学院生・ポスドク、大学教員、研究所・企業の研究者
講義主旨

生命科学は21世紀に入り激変し、今や、生命ビッグデータと学際的研究が生命科学研究の重要なキーワードになっています。生命科学研究者にとって、理工学の基礎的な理論を理解し、日々生み出されている生命ビッグデータを基盤に研究することが求められてきています。また、理工学研究者にとって生命科学は研究シーズの宝庫であるとともに、学際的研究の必要性からシミュレーション科学を基盤に生命科学研究への参画が強く求められています。この講座では、生命科学と理工学の学際的研究領域である計算生命科学の基礎を講義します。

担当講師 田中 成典(神戸大学大学院システム情報学研究科 教授)
松田 文彦(京都大学医学研究科附属ゲノム医学センター センター長)
荒木 通啓(神戸大学自然科学系先端融合研究環 特命准教授)
松田 秀雄(大阪大学大学院情報科学研究科 教授)
土井 淳 (株式会社セルイノベータ― 取締役 研究開発部 部長)
佐藤 文俊(東京大学生産技術研究所 教授)
中津井 雅彦(京都大学大学院医学研究科 助教)
広川 貴次(産業技術総合研究所創薬分子プロファイリング研究センター 研究チーム長)
鷹野 優 (広島市立大学情報科学研究科 教授)
都地 昭夫(塩野義製薬株式会社解析センター グループ長)
北西 由武(塩野義製薬株式会社解析センター サブグループ長)
福澤 薫 (日本大学松戸歯学部 助教)
奥野 恭史(京都大学大学院医学研究科 教授)
本間 光貴(理化学研究所ライフサイエンス技術基盤研究センター チームリーダー)
銅谷 賢治(沖縄科学技術大学院大学神経計算ユニット 教授)
講義内容

▼はじめに 計算生命科学の概要:田中 成典 《 10月7日(水) 》 【講義資料PDF】 ※二次配布禁止 →アーカイブ動画

コンピュータやIT技術、情報科学の進歩とともに近年急速に進展してきた計算生命科学が、いかに生物学、医学・薬学、農学などの生命科学の研究を促進してきたのか、その理論的背景は何であったのかを、核酸やタンパク質の分子レベルから細胞、組織、臓器レベル、さらには個体間や環境との相互作用(生態系)レベルの階層性を意識しながら示し、もって本講義全体の導入的紹介とする。

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~第1編 ゲノムから見る生命科学~ [参考図書] 1.柳田敏雄他「計算と生命」岩波書店(2012) 2.Uri Alon (著)、倉田博之・宮野 悟 (訳)「システム生物学入門 -生物回路の設計原理- 」共立出版 (2008) 3.Gregory N. Stephanopoulos ,Jens Nielsen ,Aristos A. Aristidou (著)、 清水 浩・塩谷捨明 (訳)「代謝工学―原理と方法論」東京電機大学出版局 (2002)

▼1.1 「ヒトの病気はヒトの研究で~生命情報の統合によるヒト生物学と先制医療」:松田 文彦 《 10月14日(水) 》【※公開講義資料なし】

実験動物や細胞でヒトの病気を研究するのではなく、ヒトが極めて多様な集団であることを意識しつつ、各個人から得られる様々な生命情報を統合した生命ビッグデータを解析することで、さまざまな疾患の発症機構の解明および疾患の超早期診断や予後予測を試みる「ヒト生物学」の目指すところとその方法論について紹介する。

▼1.2 「生物システムの設計:システム生物学から合成生物学へ」」:荒木 通啓 《 10月21日(水) 》 【講義資料PDF】 ※二次配布禁止 →アーカイブ動画

人工物の設計にCAD(Computer-Aided Design)が利用されるように、生物システムの設計にも計算科学の果たす役割が益々大きくなってきている。ここでは、生物システムの中でも遺伝子回路と代謝ネットワークの設計を中心に、計算科学的アプローチの観点から、システム生物学から合成生物学への展開について紹介する。

▼1.3 「遺伝子ネットワーク解析:細胞の状態変化の過程を探る」:松田 秀雄 《 10月28日(水) 》  【講義資料PDF】 ※二次配布禁止 

生体内の細胞は周囲の環境変化に合わせてその状態を変化させている。この過程で生じている現象を理解するため、細胞内の遺伝子の量の経時変化を計測し、そのデータをもとに遺伝子間の制御関係である遺伝子ネットワークを推定する手法について紹介する。細胞の状態変化の例として細胞分化等を取り上げ、そこで働く遺伝子ネットワークの解析例を示す。

▼1.4 「到来する大規模生命情報の解析に備えて」:土井 淳 《 11月4日(水) 》 【講義資料PDF】 ※二次配布禁止 →アーカイブ動画

The Cancer Genome Atlas (TCGA) を始め、 ConnectivityMap, BioGPS など、公開されている大量の遺伝子発現データを閲覧、利用する方法を紹介する。また、1000サンプル以上の遺伝子発現プロファイルを扱った経験から、ヒートマップ、クラスタリング図など、基礎的なデータ表示の読み取り方および、データドリブンで構築される情報を解釈する際の問題点などを取り上げる。

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~第2編 タンパク質からみる生命科学~ [参考図書]

1.柏木浩・佐藤文俊(監修)「タンパク質密度汎関数法」森北出版(2008)2.神谷成敏・肥後順一・福西快文・中村春木(著)「タンパク質計算科学:基礎と創薬への応用」共立出版(2009) 3.Merz, Ringe, Reynolds(著)、田之倉優・小島正樹(訳)「ドラッグデザイン:構造とリガンドに基づくアプローチ」東京化学同人(2014) 4.S. Tanaka,Y. Mochizuki,Y. Komeiji,Y. Okiyama  and K. Fukuzawa,”Electron-Correlated Fragment-Molecular-Orbital Calculations for Biomolecular and Nano Systems”,Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (2014) pp.10310-10344

▼2.1 「計算生命科学のための量子化学基礎」:佐藤 文俊 《 11月11日(水) 》 【講義資料PDF】 ※二次配布禁止

それほど単純ではありませんが「量子力学によって物理学や化学が取り扱う多くの分野で基礎となる法則が完全に明らかになった」とも言われる。ただ、法則が明らかになったことと、現実の研究の場にその法則を適用することとの間には多くの困難な問題が潜んでいる。ここではその困難を乗り越える前準備として、計算生命科学に必要十分な範囲で、わかりやすく量子化学の基礎を紹介する。なお、量子化学は分子動力学計算でも必須の学問である。

▼2.2 「タンパク質の量子化学計算」:田中 成典 《 11月18日(水) 》  【講義資料PDF】  ※二次配布禁止 →アーカイブ動画

コンピュータの進歩もあって、タンパク質などの生体高分子の電子状態を高速かつ高精度に計算できる量子化学的手法が開発されてきている。本講義では、タンパク質の量子化学計算を実現するために開発されている密度汎関数(DFT)法やフラグメント分子軌道(FMO)法などを概説し、それが実際の様々な問題にどのように応用されているかを紹介する。また、古典力学的な計算手法や、量子力学と古典力学をハイブリッドしたQM/MM法などとの関連性についても述べる。

▼2.3 「分子動力学計算によるタンパク質の機能解析」:中津井 雅彦 《 11月25日(水) 》 【講義資料PDF】 ※二次配布禁止 →アーカイブ動画

計算科学的手法の一種であり、古典力学に基づいて分子の動きをシミュレーションする分子動力学(MD)計算について、その基礎理論と計算方法を概説する。また、タンパク質を対象とした分子動力学シミュレーションを行う上で必要となる背景知識(特に、力場の取り扱い)や、計算手順、および解析法を紹介する。さらに、分子動力学計算の応用例として、タンパク質と低分子化合物との結合強度予測法(MP-CAFEE)および拡張サンプリングシミュレーションについて、実例を用いて紹介する。

▼2.4 「分子動力学計算を活用したインシリコ創薬」:広川 貴次 《 12月2日(水) 》  【講義資料PDF】 ※二次配布禁止 →アーカイブ動画

スーパーコンピュータ「京」に代表されるような大規模計算環境の発展と分子動力学計算を中心とした分子シミュレーション技術が相俟って、インシリコ創薬による開発プロセスの効率化と革新的な創薬支援が期待されている。特に、分子動力学計算は、標的タンパク質の動的構造の解析、高精度結合自由エネルギー計算、化合物作用機序解析などに活用されており、創薬支援研究に欠かせない要素技術となっている。本講義では、分子動力学計算を活用したインシリコ創薬を概説し、国内外の動向、そして実際の活用事例などを紹介する。

▼2.5 「QM/MMシミュレーションによるタンパク質機能解析」:担当:鷹野 優  《 12月9日(水) 》  【講義資料PDF】 ※二次配布禁止 →アーカイブ動画

タンパク質は巨大かつヘテロな系であり、機能を有効に発揮するため、相互作用する対象や環境に対応して、その「かたち」を変化させる。このような複雑かつダイナミックなタンパク質が織りなす機能を理解・予測するために、機能発現に関わる局所部分(活性中心)には量子力学(QM)を、活性中心を取り囲むタンパク質の「かたち」の変化・ダイナミクスには古典力学(MM)を適用したQM/MMシミュレーションは極めて有効であり、特にタンパク質の理論的研究では常套手段となっている。本講義ではQM/MMシミュレーションの理論背景からはじめ、タンパク質の機能解明への応用について紹介する。

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~第3編 医療・創薬における計算生命科学~ [参考図書] 1.岡谷貴之(著)「深層学習」講談社(2015) 2.佐藤洋行、原田博植 他(著)「データサイエンティスト養成読本」技術評論社 (2013/8/8) 3.日本化学会情報化学部会誌 Vol. 31(2013) No. 3 10月号https://www.jstage.jst.go.jp/browse/cicsj/31/3/_contents/-char/ja/ 日本化学会情報化学部会誌 Vol. 31(2013) No. 4 11月号https://www.jstage.jst.go.jp/browse/cicsj/31/4/_contents/-char/ja/ 4. K.M.Merz,Jr.,D.Ringe,C.H.Reynolds(著)、田之倉 優・小島正樹(訳)「ドラッグデザイン 構造とリガンドに基づくアプローチ」東京化学同人(2014)

▼3.1 「製薬企業におけるデータ駆動型の研究開発」:都地 昭夫、北西 由武 《 12月16日(水) 》【※公開講義資料なし】 

Big dataを含むAny dataは医療、製薬分野においてイノベーションの鍵となりうると考えられる。そこでAny dataの概論から始め、解析を行うためのアプローチや将来展望などを製薬企業における事例を交えながら解説する。加えて、解析の基本となる統計手法やデータの可視化、IT技術についても紹介する。また、膨張し続けるデータとともに急激に発展しつつある深層機械学習についても触れる。

 ▼3.2 「フラグメント分子軌道法によるタンパク質-リガンド相互作用の高精度解析と創薬への応用」:福澤 薫 《 1月13日(水) 》 【講義資料PDF】 ※二次配布禁止 →アーカイブ動画

量子化学計算の一手法であるフラグメント分子軌道(FMO)法は、タンパク質の電子状態を高速かつ高精度に計算できる手法として、インシリコ創薬における利用が期待されている。特に標的タンパク質とリガンドとの相互作用を精密に評価できるため、相互作用の理解から化合物のデザインにまで応用することが可能である。本講義では、FMO法の解説とタンパク質-リガンド相互作用への適用例、そして産学官連携コンソーシアムによる「FMO創薬」の最近の取り組みについても紹介する。

▼ 3.3 「創薬と医療のためのシミュレーション科学とビッグデータ科学」:奥野 恭史 《 1月20日(水) 》【※公開講義資料なし】

スーパーコンピュータ「京」に代表されるHPC(High Performance Computing)の進展により、創薬・医療などの生命科学分野における「シミュレーション科学」の重要性は高まる一方である。また、近年のハイスループット技術やオミクス計測技術の著しい進展に伴い、生命科学分野においてもデータ爆発が起こり、「ビッグデータ科学」の研究開発が急務とされている。ここではこれらシミュレーション科学とビッグデータ科学の創薬・医療応用について紹介する。

▼ 3.4 「創薬における計算生命科学:インフォマティクスとシミュレーションを融合したインシリコスクリーニング」:本間 光貴 《 1月27日(水) 》  【講義資料PDF】 ※二次配布禁止

近年の創薬において、タンパク質-リガンド間のドッキングによるインシリコスクリーニングは無くてはならないものとなっている。一方、適切なドッキングを行うためには、タンパク質構造の自由度の考慮、精度の良い結合親和性評価に加えて、計算のスピードとのバランスも重要である。これらのポイントのそれぞれの最近の動向を説明するとともに、具体的な創薬事例について紹介する。

▼ 3.5 「大規模計測と大規模計算の時代の脳科学」:銅谷 賢治  《 2月3日(水) 》 【講義資料PDF】 ※二次配布禁止 →アーカイブ動画

脳全体の構造、結合と活動を計測するMRI技術や、その局所回路の神経細胞の活動をまるごととらえる蛍光分子と顕微鏡技術の進歩により、脳科学はビッグデータサイエンスになりつつある。そこでは膨大な計測データからの情報抽出と、多様なデータを統合する数値モデルのシミュレーションのために、大規模計算が不可欠の要素になってきている。この講義では、日米欧の大規模脳科学プロジェクトにおいて計算技術の果たす役割と、我々が行っている脳イメージングと大規模シミュレーションについて紹介するとともに、ボトムアップのデータ駆動のアプローチに対応したトップダウンの理論的アプローチのあり方について考察する。

 

コーディネーター 江口 至洋(理化学研究所HPCI計算生命科学推進プログラム 副プログラムディレクター)
田中 成典(神戸大学大学院システム情報学研究科 教授)
森 一郎 (神戸大学連携創造本部 特命教授)
鶴田 宏樹(神戸大学連携創造本部 准教授)
渡邉 博文(神戸大学計算科学教育センター 学術研究員)
主催・共催・後援

主催:神戸大学計算科学教育センター

共催:神戸大学連携創造本部理化学研究所HPCI計算生命科学推進プログラム産業技術総合        研究所HPCI戦略プログラム分野1 人材養成プログラム理化学研究所計算科学研究機構

後援:兵庫県、神戸市、公益財団法人都市活力研究所、NPO法人バイオグリッドセンター関西        公益財団法人計算科学振興財団

その他

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