研究
【研究成果】FMQAを用いたRNA逆折り畳み手法の構築と塩基符号化法の影響解明
2026年8月10日
Credits: WPI-Bio2Q
Bio2Qの研究者によって共同執筆され、学術誌『Scientific Reports』に掲載された本研究は、指定された二次構造をとる塩基配列を特定する「RNA逆フォールディング問題」に対し、二次最適化アニーリングを組み合わせた因数分解マシン（FMQA）を用いた効率的なRNA設計手法を提案したものです。研究者らは塩基の符号化手法を網羅的に解析し、ドメインウォール符号化でグアニンとシトシンを境界値に割り当てることで、熱力学的に安定した高品質なRNA配列の生成に成功しました。本成果は、FMQAが評価効率に優れた有望なアプローチであることを実証し、RNAエンジニアリングへの応用指針を提示したものです。
| タイトル | Factorization machine with quadratic-optimization annealing for RNA inverse folding and evaluation of binary-integer encoding and nucleotide assignment |
|---|---|
| 著者 | Shuta Kikuchi 1 2, Shu Tanaka 3 4 5 6 |
| 簡単な説明 |
慶應義塾大学とBio2Qの研究者らは、従来の方法に比べてはるかに少ない配列評価で、所望の二次構造に折りたたまれるRNA配列を設計できる、機械学習を活用した最適化手法を開発しました。
予測可能な構造を持つRNA分子の設計は、RNA治療薬、合成生物学、バイオテクノロジーなどの分野における大きな課題となっています。これは、既存の計算手法では多くの場合、膨大な数の候補配列を網羅的に探索する必要があり、実験による検証に多大なコストと時間を要するからです。この課題に対処するため、研究チームは、過去に評価された配列から学習する「因数分解マシン」と、アニーリング法に基づく最適化手法を組み合わせ、有望なRNA設計を効率的に特定することに成功しました。また、最適化中にRNA配列をどのように表現するかが性能に大きな影響を与えることも判明しました。具体的には、ワンホット符号化およびドメインウォール符号化の手法が、バイナリおよびユニナリアプローチを一貫して上回る性能を示しました。ドメインウォール符号化では、グアニンとシトシンを特定の符号化状態に割り当てることで配列の品質がさらに向上し、熱力学的により安定したステム領域の形成が促進されました。複数のベンチマークRNA構造において、この手法は、ベイズ最適化、遺伝的アルゴリズム、およびランダム探索と比較して、より少ない評価回数で高品質なRNA設計を生成しました。
これらの知見により、二次最適化アニーリングを組み合わせた因数分解マシン（FMQA）が、RNAの逆フォールディングにおける有望かつ評価効率の高いアプローチであることが確立されるとともに、RNAエンジニアリングへのアニーリングベースの最適化を適用するための実践的な指針が提供されました。
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| DOI | 10.1038/s41598-026-50891-7 |
| 雑誌名 | Scientific Reports |
| 巻号ページ |
16(1):20460.
|
| 出版年月日 | 2026年5月 |
Affiliations
1 Graduate School of Science and Technology, Keio University, Yokohama, Kanagawa, 223-8522, Japan.
2 Keio University Sustainable Quantum Artificial Intelligence Center (KSQAIC), Keio University, Minato-ku, Tokyo, 108-8345, Japan.
3 Graduate School of Science and Technology, Keio University, Yokohama, Kanagawa, 223-8522, Japan.
4 Keio University Sustainable Quantum Artificial Intelligence Center (KSQAIC), Keio University, Minato-ku, Tokyo, 108-8345, Japan.
5 Department of Applied Physics and Physico-Informatics, Keio University, Yokohama, Kanagawa, 223-8522, Japan.
6 Human Biology-Microbiome-Quantum Research Center (WPI-Bio2Q), Keio University, Minato-ku, Tokyo, 108-8345, Japan.
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