理化学研究所 計算科学研究センター

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Science 研究成果

速く!大規模に!精密に!タンパク質の動きを解析する超並列分子動力学計算ソフトウェア「GENESIS」

私たちの生命活動は、200種類以上の細胞が働くことによって支えられています。細胞の中で機能を担っているのは、主にタンパク質とよばれる生体分子。この働きを分子レベルから知ることができれば、生命の不思議を根本から解き明かし、病気の原因解明や新しい薬の開発にも大いに役立つと期待されています。

小さなタンパク質の動きを追う

タンパク質の大きさは、大きなものでもわずか数十ナノメートル(1ナノメートルは1ミリの100万分の1)。目で見て観察できるレベルではありません。理研のSPring-8やSACLAのように、非常に強い光(放射光など)を当てて形を調べる方法もありますが、一瞬を写し取る写真のようなものなので、残念ながら動いている様子を見ることはできません。

そこで登場するのが、コンピュータによるシミュレーションです。タンパク質を構成している分子の中の原子一つひとつについて、お互いが及ぼしあっている力や、その力を受けた原子がどのように動くのか、を物理や化学の法則に基づいて計算することで、ある時間がたった時に原子の配置がどう変わるのか、つまり分子がどう動くのかを知ることができます。この計算を次々と続けていくことで、タンパク質の動きを調べることができるのです。これが「分子動力学計算」です。これまでにも、さまざまなソフトウェアが開発され、タンパク質の構造解明や新薬の設計などに活用されてきました。

実は「大きな」タンパク質

原子の数で約1000~10万個分にもなるタンパク質分子のシミュレーションには膨大な計算が必要です。原子1個のサイズがサッカーボール1個分とすると、タンパク質は大きなもので50メートルプールくらい。 タンパク質や水、脂質といった分子の集合である細胞一個ともなると、例えば赤血球(幅10ミクロン、厚さ2ミクロン程度)は4000メートル級の山が20キロ続くような山脈くらいの大きさになります。

細胞の動きを追うためには、とてつもなく大きな空間の中でひしめき合うたくさんの原子同士がお互いに力を及ぼしあっている状態を計算しなければならないのです。しかもタンパク質分子などの動きは非常に速いため、1000兆分の1秒(1フェムト秒)刻みで計算させる必要があります。仮に1000分の1秒(1ミリ秒)ぶん、タンパク質分子の動きを調べようとしても、何億、何十億という原子について1兆回計算することになります。計算の速い、高性能なスーパーコンピュータでも、分子レベルからタンパク質や細胞の動きを調べることは非常に大変なことです。

速く、大規模に、精密に

これまでの研究では、水の中にタンパク質1つ、など細胞の中とはかけ離れた仮想的な状態でタンパク質の動きを調べていくのがやっとでした。それどころか、細胞内のタンパク質の動きを厳密に計算しようとすれば、世界最高レベルのスパコンであっても計算力がまだまだ足りないのです。

そこで、今のスパコンでも高速に、可能な限りこれらの大規模な細胞内のシステムを精密に計算できるように計算方法を工夫して開発されたのが、今回発表された超並列分子動力学計算ソフトウェア「GENESIS(ジェネシス)」です。GENESISには、必要に応じて計算の条件を変えたり、8万個以上のCPUが同時並行に計算を行う超並列コンピュータである「京」の特徴を十分に活かせるよう、計算をうまくCPUに割り当て、CPU間でデータのやり取りも効率的に行うようにするなど、数々の工夫が盛り込まれています。その結果、細胞内の環境を想定した1億個の原子が集まっている状態で、高速なシミュレーションが可能なことを示しました。

さらにこのソフトは、「京」だけでなく、一般の大学や研究機関で使われているワークステーションやクラスター計算機といったコンピュータでも高速に計算することができるようになっています。これまで到達できなかった分子レベルでの細胞の働きの解明によって、多くの研究や医療・新薬開発の現場から、生命現象の謎を解き、さまざまな応用に向けた発見や知識がもたらされることが期待されています。

研究チーム紹介
粒子系生物物理研究チーム

プレスリリース(理化学研究所のウェブサイト)
「超並列分子動力学計算ソフトウェア「GENESIS」を開発
-「京」を活用し巨大生体分子システムのシミュレーションを実現-」

英語版RIKEN Research(理化学研究所のウェブサイト)
PDF P11/Page#9 - The genesis of GENESIS