The parallel Green's Function Reaction Dynamics method enables whole signal transduction pathway simulations

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25711011
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 高橋 恒一 国立研究開発法人理化学研究所, 生命システム研究センター, チームリーダー (20514508)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: シミュレーション / 並列化 / 細胞

Outline of Annual Research Achievements

研究課題の最終年度である本年度では、これまで開発してきた並列版グリーン関数動力学法のコードをまとめるとともに、それにあたって必要とされた各種のグリーン関数に関する実装部分を、従来の非並列版グリーン関数動力学法のコードと共通して利用できるよう切り離し、独立したグリーン関数計算ライブラリとして公開した。これにより、これまで並列版・非並列版で別々に開発・保守されてきたグリーン関数ライブラリをまとめて管理できるようになるとともに、共同研究先と共に利用することで並列化以外にも様々に拡張されてきた変更を横断的に取り入れることが可能になった。
加えて本年度では、昨年度から引き続き特に問題となっていた平面上での反応拡散に関する開発を推し進めた。並列版では細胞全体を扱うために一次元および二次元の細胞構造の表現を可能にすることも目的にしていた。非並列版ではこれらについて部分的に開発されていたが、単一二次元平面上での反応拡散については既に開発されていたものの、ポリゴンによって表現される複雑な平面上での反応拡散については十分でなかった。特に、ポリゴンの頂点周りの拡散はこれまでブラウン動力学法を使うなど厳密でない方法に頼らざるを得ず、細胞構造の形状から生じる効果についてはグリーン関数動力学法が持ち味とする正確かつ厳密な結果を示すことができないでいた。そこで新たに頂点周りの反応拡散方程式を特殊な境界条件を与えることで解き、前述のライブラリへと実装することで分子が頂点に近づいた場合に高速かつ厳密な拡散を再現することを可能にした。
以上により、一次元・二次元の細胞構造を有する複雑かつ厳密な1分子粒度反応拡散シミュレーションを可能とするグリーン関数動力学法の並列化を世界ではじめて実現した。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Causes of Carryover

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Expenditure Plan for Carryover Budget

28年度が最終年度であるため、記入しない。