Application of Quantum Computer Technology to Cryo-EM Single Particle Analysis

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K15735
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 43020:Structural biochemistry-related
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: Moriya Toshio 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 特任准教授 (20565014)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: クライオ電子顕微鏡 / 単粒子解析 / 量子コンピュータ技術 / 画像処理 / 機械学習 / 構造生物学 / タンパク質ダイナミクス解析 / クラウドコンピューティング

Outline of Final Research Achievements

Initially, we tried to apply quantum annealing to 3D angle estimation of each particle image by viewing the estimation as a traveling salesman problem. Although reasonable results were obtained with a simulation dataset, high reproducibility and accuracy of 3D angle estimation could not be obtained with an experimental dataset. As an alternative research theme, the application of quantum annealing to protein dynamics analysis was investigated. We performed the dynamics analysis of the whole structure of V-ATPase obtained under substrate-free conditions, and succeeded in visualizing a part of the continuous rotational motion of the C-ring structure of the Vo domain in conjunction with the rotational axis DFd complex domain as a movie.

Free Research Field

構造生物学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

膜タンパク質や超分子複合体等の立体構造を原子分解能で可視化する技術として、クライオ電子顕微鏡を道いた単粒子解析が急激に成長している。それに伴い本手法に要求されるデータ量と計算量も急増し続けている。本研究の成果として得られた、莫大な計算量を必要とするクライオ電子顕微鏡・単粒子解析、特にダイナミクス解析のために構築した生体高分子構造解析向けのクラウド計算環境であるGoToCloudは、本課題の当初の目的であった本手法への量子コンピュータ技術の応用のための技術基盤となる。