超高速空間モデルシミュレータの実装

• 研究課題/領域番号: 24300112
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 一部基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 生体生命情報学
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 舟橋 啓 慶應義塾大学, 理工学部, 准教授 (70324548)
• 連携研究者: 広井 賀子 慶應義塾大学, 理工学部・生命情報学科, 専任講師 (20548408)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2014年度)
• 配分額: 17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円); 2014年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2013年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円); 2012年度: 6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円)
• キーワード: 情報工学 / 並列処理 / GPGPU / 空間モデル / 偏微分方程式 / 数値積分 / SBML / ハイパフォーマンス・コンピューティング / システムバイオロジー / 生体生命情報学 / バイオテクノロジー

研究成果の概要

細胞・組織 レベルにおける空間モデルシミュレーションは数時間から数日と計算時間がかかり、高速化の必要性が高まっていた。本研究課題では、GPU(Graphics Processing Unit) を利用することで、細胞・組織レベルにおける空間モデルシミュレーションを高速化するソフトウェア基盤を構築した。空間モデルシミュレーションは偏微分方程式ベースの拡散方程式、移流方程式、反応拡散方程式の3種類を対象とし、高速化を行った。本研究課題の実装により、移流方程式では52倍、反応方程式では64倍、拡散方程式では63倍の高速化を達成した。

研究成果

• [雑誌論文] High-speed microscopy with an electrically tunable lens to image the dynamics of in vivo molecular complexes (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuichiro Nakai, Mitsunori Ozeki, Takumi Hiraiwa, Ryuichi Tanimoto, Akira Funahashi, Noriko Hiroi, Atsushi Taniguchi, Shigenori Nonaka, Viviane Boilot, Roshan Shrestha, Joanna Clark, Naoka Tamura, Viji M Draviam, Hiromasa Oku
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 86 号: 1 ページ: 013707-013707
  • DOI: 10.1063/1.4905330
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Acceleration of discrete stochastic biochemical simulation using GPGPU (2015)
  • 著者名/発表者名: Kei Sumiyoshi, Kazuki Hirata, Noriko Hiroi, Akira Funahashi
  • 雑誌名: Frontiers in physiology 巻: 6 ページ: 1-1
  • DOI: 10.3389/fphys.2015.00042
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] The systems biology simulation core algorithm (2013)
  • 著者名/発表者名: Keller, R., Dorr, A., Tabira, A., Funahashi, A., Ziller, M.J., Adams, R., Rodriguez, N., Le Novere, N., Hiroi, N., Planatscher, H., Zell, A. and Drager, A.
  • 雑誌名: BMC Systems Biology 巻: 7 号: 1 ページ: 5-5
  • DOI: 10.1186/1752-0509-7-55
  • 査読あり
• [学会発表] Computational Platform for Systems Biology (2014)
  • 著者名/発表者名: Akira Funahashi
  • 学会等名: Dagstuhl Seminar on Multiscale Spatial Computational Systems Biology
  • 発表場所: Wadern, Germany
  • 年月日: 2014-11-23 – 2014-11-28
  • 招待講演
• [学会発表] CellDesigner (2014)
  • 著者名/発表者名: Akira Funahashi, Noriko Hiroi
  • 学会等名: Modelling and Simulation of Biological Models
  • 発表場所: Melbourne, Australia
  • 年月日: 2014-09-14
• [学会発表] Fabrication method to a high resolution control in the space of cell culturing environment with microfluidic system. (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiraiwa, T., Kimura, T., Takenaka, Y., Tanamoto, R., Ota, H., Kimura, H., Taguchi, Y., Miki, N., Matsumoto, Y., Oka, K., Funahashi, A. and Hiroi, N.
  • 学会等名: Micro Eloctro Mechanical Systems (MEMS)
  • 発表場所: San Francisco, USA
• [学会発表] Numerical Investigation for in vivo Oriented Modeling in 3D Crowded Space (2013)
  • 著者名/発表者名: 久保島剛
  • 学会等名: The 10th NIBB-EMBL Symposium 2013 Quantitative Bioimaging
  • 発表場所: 基礎生物学研究所・岡崎
  • 年月日: 2013-03-17
• [学会発表] Understanding the characteristics of intracellular reaction space from the point of view of bio-molecular organization using spatial simulation (2013)
  • 著者名/発表者名: 奥原嵩弘
  • 学会等名: The 10th NIBB-EMBL Symposium 2013 Quantitative Bioimaging
  • 発表場所: 基礎生物学研究所・岡崎
  • 年月日: 2013-03-17
• [学会発表] Physiological intracellular crowdedness is defined by the surface-to-volume ratio of sub-cellular compartments (2013)
  • 著者名/発表者名: 広井賀子
  • 学会等名: First Annual Winter Q-Bio Meeting
  • 発表場所: ハワイ・アメリカ
  • 年月日: 2013-02-21
• [学会発表] Q-BioJP : Japanese Society for Quantitative Biology (2013)
  • 著者名/発表者名: 舟橋啓
  • 学会等名: First Annual Winter Q-Bio Meeting
  • 発表場所: ハワイ・アメリカ
  • 年月日: 2013-02-20
• [学会発表] CellDesigner: A process diagram editor for gene-regulatory and biochemical networks. (2013)
  • 著者名/発表者名: Funahashi, A. and Hiroi, N.
  • 学会等名: CellDesigner Workshop
  • 発表場所: Melbourne, Australia
  • 招待講演
• [学会発表] CellDesigner: A process diagram editor for gene-regulatory and biochemical networks (2013)
  • 著者名/発表者名: Funahashi, A. and Hiroi, N.
  • 学会等名: Computational and Mathematical Biology Course
  • 発表場所: Okinawa, Japan
  • 招待講演
• [学会発表] Setting up quantitative models in CellDesigner (2013)
  • 著者名/発表者名: Funahashi, A. and Hiroi, N.
  • 学会等名: Tutorials at international Conference on Systems Biology 2013 (ICSB2013)
  • 発表場所: Copenhagen, Denmark
• [学会発表] A neural differentiation model of pluripotent stem cells (2013)
  • 著者名/発表者名: Takiguchi, R., Iwasaki, T., Hiraiwa, T., Kimura, T., Yamazaki, K., Funahashi, A. and Hiroi, N.
  • 学会等名: International Conference on Systems Biology 2013 (ICSB2013)
  • 発表場所: Copenhagen, Denmark
• [学会発表] Development of microfluidic system for high resolution control of cell culturing environment (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiraiwa, T., Kimura, T., Tanamoto, R., Ota, H., Kimura, H., Taguchi, Y., Miki, N., Matsumoto, Y., Oka, K., Funahashi, A. and Hiroi, N.
  • 学会等名: International Conference on Systems Biology 2013 (ICSB2013)
  • 発表場所: Copenhagen, Denmark
• [学会発表] Development of microfluidic system for high resolution control of long-term cell culturing environment (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiraiwa, T., Kimura, T., Tanamoto, R., Ota, H., Kimura, H., Taguchi, Y., Miki, N., Matsumoto, Y., Oka, K., Funahashi, A. and Hiroi, N.
  • 学会等名: International Workshop on Quantitative Biology 2013
  • 発表場所: Osaka, Japan
• [学会発表] Design and Implementation of CellDesigner (2013)
  • 著者名/発表者名: Funahashi, A., Matsuoka, Y., Ghosh, S., Hiroi, N. and Kitano, H.
  • 学会等名: International Workshop on Quantitative Biology 2013
  • 発表場所: Osaka, Japan
• [学会発表] Development of High-speed 3D imaging system with electrically tunable lenses for deeper probing of subcellular structures (2013)
  • 著者名/発表者名: Nakai, Y., Tamura, N., Hiraiwa, T., Okuhara, T., Draviam, V.M., Funahashi, A. and Hiroi, N.
  • 学会等名: International Workshop on Quantitative Biology 2013
  • 発表場所: Osaka, Japan
• [学会発表] Implementation of a spatial model simulator and its SBML support (2012)
  • 著者名/発表者名: 松井達広
  • 学会等名: HARMONY2012
  • 発表場所: マーストリヒト・オランダ
  • 年月日: 2012-05-24