タンパク質間相互作用予測に基づく創薬ターゲット探索のための並列計算システム開発

• Project/Area Number: 14J30002
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Life / Health / Medical informatics
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 大上 雅史 東京工業大学, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2015: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2014: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: バイオインフォマティクス / タンパク質間相互作用 / タンパク質ドッキング / オフターゲット探索 / タンパク質立体構造

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，タンパク質間相互作用予測システム「MEGADOCK」の大規模並列化並びに高度化を行い，大規模な相互作用ネットワーク予測を行うとともに，網羅的な薬剤のオフターゲット予測を効率的に行うための方法論を開発するものである．
初年度はMEGADOCKの大規模並列化，特にGPUクラスタ上での並列化とMany Integrated Core (MIC)上での加速を主目的とした．前者では，GPUクラスタ上で並列計算が実行可能なタンパク質ドッキング計算システムであるMEGADOCK 4.0を開発し，本システムの並列性能をノードあたり12 CPUコアと3 GPUを備えたTSUBAME 2.5スーパーコンピュータで測定した．結果，35ノード実行に対する420ノード実行時の強スケーリング値0.98という良好な並列化効率を達成した．
また，GPUやMICのようなアクセラレータを実際のアプリケーションに適用した場合の効果は，アクセラレータとアプリケーションの特性に依存することを受け，本研究では前述のGPUに加えてMICによる高速化を行い比較した．MICに関してはオフロードとネイティブの2通りの実装を行った．結果として，GPUへの実装はMICへのオフロードでの実装と比較して約5倍の性能を達成した．一方でMICへのネイティブでの実装は，新しいコードを追加することなく利用できるという移植性における利点を有する．しかし，MICのメモリ容量の制約のために対象のタンパク質ペアのサイズが大きくなるにつれ，利用できる計算コア数が減り，パフォーマンスが落ちるという問題があった．MICへのネイティブでの実装の全体としての性能は8 CPUコア(1 ソケット) と同程度であった．これらの結果より，本研究で対象としたタンパク質間ドッキングの高速化においては，MICに比べGPUがより優れていると言える．

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Protein-Protein Docking on Hardware Accelerators: Comparison of GPU and MIC Architectures (2015)
  • Author(s): Takehiro Shimoda, Shuji Suzuki, Masahito Ohue, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • Journal Title: BMC Systems Bilogy Volume: 9 Issue: S1 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1186/1752-0509-9-s1-s6
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] MEGADOCK 4.0: an ultra-high-performance protein-protein docking software for heterogeneous supercomputers (2014)
  • Author(s): Masahito Ohue, Takehiro Shimoda, Shuji Suzuki, Yuri Matsuzaki, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • Journal Title: Bioinformatics Volume: 30 Issue: 22 Pages: 3281-3283
  • DOI: 10.1093/bioinformatics/btu532
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] MEGADOCK: An all-to-all protein-protein interaction prediction system using tertiary structure data (2014)
  • Author(s): Masahito Ohue, Yuri Matsuzaki, Nobuyuki Uchikoga, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama:
  • Journal Title: Protein and Peptide Letters Volume: 21 Issue: 8 Pages: 766-778
  • DOI: 10.2174/09298665113209990050
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Protein-protein interaction network prediction by using rigid-body docking tools: application to bacterial chemotaxis (2014)
  • Author(s): Yuri Matsuzaki, Masahito Ohue, Nobuyuki Uchikoga, Yutaka Akiyama
  • Journal Title: Protein and Peptide Letters Volume: 21 Issue: 8 Pages: 790-798
  • DOI: 10.2174/09298665113209990066
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Prediction of human-virus protein-protein interactions by exhaustive rigid docking (2015)
  • Author(s): Yuri Matsuzaki, Nobuyuki Uchikoga, Masahito Ohue, Yutaka Akiyama
  • Organizer: Biophysical Society 59th Annual Meeting
  • Place of Presentation: Baltimore, Maryland, USA. Baltimore Convention Center
  • Year and Date: 2015-02-10
• [Presentation] Analysis of amino acid properties in interaction surfaces of decoys generated by re-docking (2015)
  • Author(s): Nobuyuki Uchikoga, Yuri Matsuzaki, Masahito Ohue, Takatsugu Hirokawa, Yutaka Akiyama
  • Organizer: Biophysical Society 59th Annual Meeting
  • Place of Presentation: Baltimore, Maryland, USA. Baltimore Convention Center
  • Year and Date: 2015-02-09
• [Presentation] MEGADOCK 4.0: an ultra-high-performance protein-protein docking software for heterogeneous supercomputers (2015)
  • Author(s): Masahito Ohue, Takehiro Shimoda, Shuji Suzuki, Yuri Matsuzaki, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • Organizer: APBC 2015
  • Place of Presentation: Hsinchu, Taiwan. National Chiao Tung University
  • Year and Date: 2015-01-21 – 2015-01-23
• [Presentation] MEGADOCK 4.0: an ultra-high-performance protein-protein docking software for heterogeneous supercomputers (2014)
  • Author(s): Masahito Ohue, Takehiro Shimoda, Shuji Suzuki, Yuri Matsuzaki, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • Organizer: GIW/ISCB-Asia 2014
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan. Plaza Heisei, Tokyo International Exchange Center
  • Year and Date: 2014-12-15 – 2014-12-17
• [Presentation] The MEGADOCK Project: high-performance protein-protein interaction prediction tools on supercomputing environments (2014)
  • Author(s): Masahito Ohue, Takehiro Shimoda, Shuji Suzuki, Yuri Matsuzaki, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • Organizer: The Asia hub for e-drug discovery symposium 2014 (AHeDD' 2014)
  • Place of Presentation: Chengdu, China. Sichuan University
  • Year and Date: 2014-11-11 – 2014-11-12
• [Presentation] タンパク質とペプチドのドッキング計算 (2014)
  • Author(s): 大上雅史, 松崎由理, 石田貴士, 秋山泰
  • Organizer: 生命情報科学若手の会 第6回研究会
  • Place of Presentation: 神戸市，兵庫県．理化学研究所
  • Year and Date: 2014-10-29 – 2014-10-30
• [Presentation] MEGADOCK 4.0: an ultra-high-performance protein-protein docking software for heterogeneous supercomputers (2014)
  • Author(s): Masahito Ohue, Takehiro Shimoda, Shuji Suzuki, Yuri Matsuzaki, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • Organizer: 第3回生命医薬情報学連合大会
  • Place of Presentation: 仙台市，宮城県．仙台国際センター
  • Year and Date: 2014-10-02 – 2014-10-04
• [Presentation] MEGADOCK: a high-performance protein-protein interaction prediction tool on supercomputing environments (2014)
  • Author(s): 大上雅史, 松崎由理，内古閑伸之，石田貴士，秋山泰
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 札幌市，北海道．札幌コンベンションセンター
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
• [Presentation] Analysis of properties of protein-protein interaction surface areas involved in more near-native conmplexes by Re-docking scheme (2014)
  • Author(s): 内古閑伸之，松崎由理，大上雅史，広川貴次，秋山泰
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 札幌市，北海道．札幌コンベンションセンター
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
• [Presentation] The MEGADOCK Project: high-performance protein-protein interaction prediction tools on supercomputing environments (2014)
  • Author(s): Masahito Ohue, Takehiro Shimoda, Shuji Suzuki, Yuri Matsuzaki, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • Organizer: Biophysical Society Thematic Meeting Modeling of Biomolecular Systems Interactions, Dynamics, and Allostery: Bridging Experiments and Computations
  • Place of Presentation: Istanbul, Turkey. American Hospital, Nisantasi Campus
  • Year and Date: 2014-09-10 – 2014-09-14
• [Presentation] 立体構造情報に基づくタンパク質間相互作用ネットワーク予測 (2014)
  • Author(s): 大上雅史
  • Organizer: 第3回育志賞研究発表会
  • Place of Presentation: 目黒区，東京都．東京工業大学
  • Year and Date: 2014-08-20
• [Presentation] 大規模GPUクラスタによるタンパク質ドッキングシステム (2014)
  • Author(s): 大上雅史，下田雄大，松崎由理，石田貴士，秋山泰
  • Organizer: 情報処理学会バイオ情報学研究会
  • Place of Presentation: 恩納村，沖縄県． 沖縄科学技術大学院大学
  • Year and Date: 2014-06-27
• [Remarks] 大上雅史 個人ウェブサイト
  • URL: http://www.bi.cs.titech.ac.jp/~ohue
• [Remarks] MEGADOCK 4.0
  • URL: http://www.bi.cs.titech.ac.jp/megadock