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

• 研究課題/領域番号: 14J30002
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 生命・健康・医療情報学
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 大上 雅史 東京工業大学, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2014-04-25 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 採択後辞退 (2015年度)
• 配分額: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2015年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2014年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: 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

研究実績の概要

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．

現在までの達成度 (段落)

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

今後の研究の推進方策

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Protein-Protein Docking on Hardware Accelerators: Comparison of GPU and MIC Architectures (2015)
  • 著者名/発表者名: Takehiro Shimoda, Shuji Suzuki, Masahito Ohue, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • 雑誌名: BMC Systems Bilogy 巻: 9 号: S1 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1186/1752-0509-9-s1-s6
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] MEGADOCK 4.0: an ultra-high-performance protein-protein docking software for heterogeneous supercomputers (2014)
  • 著者名/発表者名: Masahito Ohue, Takehiro Shimoda, Shuji Suzuki, Yuri Matsuzaki, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • 雑誌名: Bioinformatics 巻: 30 号: 22 ページ: 3281-3283
  • DOI: 10.1093/bioinformatics/btu532
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] MEGADOCK: An all-to-all protein-protein interaction prediction system using tertiary structure data (2014)
  • 著者名/発表者名: Masahito Ohue, Yuri Matsuzaki, Nobuyuki Uchikoga, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama:
  • 雑誌名: Protein and Peptide Letters 巻: 21 号: 8 ページ: 766-778
  • DOI: 10.2174/09298665113209990050
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Protein-protein interaction network prediction by using rigid-body docking tools: application to bacterial chemotaxis (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuri Matsuzaki, Masahito Ohue, Nobuyuki Uchikoga, Yutaka Akiyama
  • 雑誌名: Protein and Peptide Letters 巻: 21 号: 8 ページ: 790-798
  • DOI: 10.2174/09298665113209990066
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Prediction of human-virus protein-protein interactions by exhaustive rigid docking (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuri Matsuzaki, Nobuyuki Uchikoga, Masahito Ohue, Yutaka Akiyama
  • 学会等名: Biophysical Society 59th Annual Meeting
  • 発表場所: Baltimore, Maryland, USA. Baltimore Convention Center
  • 年月日: 2015-02-10
• [学会発表] Analysis of amino acid properties in interaction surfaces of decoys generated by re-docking (2015)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Uchikoga, Yuri Matsuzaki, Masahito Ohue, Takatsugu Hirokawa, Yutaka Akiyama
  • 学会等名: Biophysical Society 59th Annual Meeting
  • 発表場所: Baltimore, Maryland, USA. Baltimore Convention Center
  • 年月日: 2015-02-09
• [学会発表] MEGADOCK 4.0: an ultra-high-performance protein-protein docking software for heterogeneous supercomputers (2015)
  • 著者名/発表者名: Masahito Ohue, Takehiro Shimoda, Shuji Suzuki, Yuri Matsuzaki, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • 学会等名: APBC 2015
  • 発表場所: Hsinchu, Taiwan. National Chiao Tung University
  • 年月日: 2015-01-21 – 2015-01-23
• [学会発表] MEGADOCK 4.0: an ultra-high-performance protein-protein docking software for heterogeneous supercomputers (2014)
  • 著者名/発表者名: Masahito Ohue, Takehiro Shimoda, Shuji Suzuki, Yuri Matsuzaki, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • 学会等名: GIW/ISCB-Asia 2014
  • 発表場所: Tokyo, Japan. Plaza Heisei, Tokyo International Exchange Center
  • 年月日: 2014-12-15 – 2014-12-17
• [学会発表] The MEGADOCK Project: high-performance protein-protein interaction prediction tools on supercomputing environments (2014)
  • 著者名/発表者名: Masahito Ohue, Takehiro Shimoda, Shuji Suzuki, Yuri Matsuzaki, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • 学会等名: The Asia hub for e-drug discovery symposium 2014 (AHeDD' 2014)
  • 発表場所: Chengdu, China. Sichuan University
  • 年月日: 2014-11-11 – 2014-11-12
• [学会発表] タンパク質とペプチドのドッキング計算 (2014)
  • 著者名/発表者名: 大上雅史, 松崎由理, 石田貴士, 秋山泰
  • 学会等名: 生命情報科学若手の会 第6回研究会
  • 発表場所: 神戸市，兵庫県．理化学研究所
  • 年月日: 2014-10-29 – 2014-10-30
• [学会発表] MEGADOCK 4.0: an ultra-high-performance protein-protein docking software for heterogeneous supercomputers (2014)
  • 著者名/発表者名: Masahito Ohue, Takehiro Shimoda, Shuji Suzuki, Yuri Matsuzaki, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • 学会等名: 第3回生命医薬情報学連合大会
  • 発表場所: 仙台市，宮城県．仙台国際センター
  • 年月日: 2014-10-02 – 2014-10-04
• [学会発表] MEGADOCK: a high-performance protein-protein interaction prediction tool on supercomputing environments (2014)
  • 著者名/発表者名: 大上雅史, 松崎由理，内古閑伸之，石田貴士，秋山泰
  • 学会等名: 第52回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 札幌市，北海道．札幌コンベンションセンター
  • 年月日: 2014-09-25 – 2014-09-27
• [学会発表] Analysis of properties of protein-protein interaction surface areas involved in more near-native conmplexes by Re-docking scheme (2014)
  • 著者名/発表者名: 内古閑伸之，松崎由理，大上雅史，広川貴次，秋山泰
  • 学会等名: 第52回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 札幌市，北海道．札幌コンベンションセンター
  • 年月日: 2014-09-25 – 2014-09-27
• [学会発表] The MEGADOCK Project: high-performance protein-protein interaction prediction tools on supercomputing environments (2014)
  • 著者名/発表者名: Masahito Ohue, Takehiro Shimoda, Shuji Suzuki, Yuri Matsuzaki, Takashi Ishida, Yutaka Akiyama
  • 学会等名: Biophysical Society Thematic Meeting Modeling of Biomolecular Systems Interactions, Dynamics, and Allostery: Bridging Experiments and Computations
  • 発表場所: Istanbul, Turkey. American Hospital, Nisantasi Campus
  • 年月日: 2014-09-10 – 2014-09-14
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 大上雅史
  • 学会等名: 第3回育志賞研究発表会
  • 発表場所: 目黒区，東京都．東京工業大学
  • 年月日: 2014-08-20
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 大上雅史，下田雄大，松崎由理，石田貴士，秋山泰
  • 学会等名: 情報処理学会バイオ情報学研究会
  • 発表場所: 恩納村，沖縄県． 沖縄科学技術大学院大学
  • 年月日: 2014-06-27
• [備考] 大上雅史 個人ウェブサイト
  • URL: http://www.bi.cs.titech.ac.jp/~ohue
• [備考] MEGADOCK 4.0
  • URL: http://www.bi.cs.titech.ac.jp/megadock