蛋白質のレアイベントに対する準平衡論的分子シミュレーション法の開発

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12780488
• 研究機関: 横浜市立大学
• 研究代表者: 池口 満徳 横浜市立大学, 大学院・総合理学研究科, 助教授 (60261955)
• キーワード: 蛋白質 / 分子動力学 / 並列計算 / 自由エネルギー計算

研究概要

本研究の目的は、蛋白質の構造変化のような、現実にはミリ秒以上かかる蛋白質のレアイベントを捉えることができる分子シミユレーション法の開発である。通常の分子動力学法では、長くても数十nsの座標履歴を計算できる程度で、蛋白質の機能に関わる運勲の時間スケール(μs〜s)とは差が大きい。このような困難を克服するため、本研究では、二つの方向から研究を行った。(1)実時間のサンプリングではなく、人工的に幅広い構造空間をサンプリングするための拡張アンサンブル法の開発と(2)大量計算を効率的に行うための超並列計算機用分子シミュレーションシステムの開発である。拡張アンサンブル法として、多数の分子シミュレーションの結果を統計誤差最小になるように重ね合わせることで自由エネルギーランドスケープを得ることのできるWeighted Histogram Analysis Method(WHAM)と、分子種の違いに対応する自由エネルギー変化を精度よく求めることのできるλダイナミクス法を組み合わせた分子シミュレーションシステムを開発した。一方、分子動力学シミュレーションの並列計算では、計算対象のシステムが巨大になったときにも効率がよい空間分割法を適用し、この方法の問題点である負荷の不均一性による効率低下の問題を、CPUの負荷を実行時に判定し、通信を少なく抑えながら、次第に高速になっていく動的負荷分散法の開発により解決した。

研究成果

• [文献書誌] S.Nakamura, D.Kyono, M.Ikeguchi, K.Shimizu: "A New Method for Parallel Computation of Hessian Matrix of Conformational Energy Function in Internal Coordinates"Journal of Computational Chemistry. 23. 463-469 (2002)
• [文献書誌] Jee, Ikegami, Hashimoto, Kawabata, Ikeguchi, Watanabe, Shirakawa: "Solution Structure of the Fibronectin Type III Domain from Bacillus circulans WL-12 Chitinase A1"Journal of Biological Chemistry. 277. 1388-1397 (2002)
• [文献書誌] M.Ikeguchi, S.Nakamura, K.shimizu: "Molecular Dynamics Study on Hydrophobic Effects in Aqueous Urea Solutions"Journal of American Chemical Society. 123. 667-682 (2001)
• [文献書誌] M.Sekijima, S.Takasaki, S.Nakamura, M.Ikeguchi, K.Shimizu: "A Parallel Programming Environment with Dependence-Driven Task Scheduling in Distributed-Memory Multiprocessor Systems"Proceedings of the ISCA 13th International Conference PDCS. 348-354 (2000)
• [文献書誌] S.Takasaki, M.Sekijima, S.Nakamura, M.Ikeguchi, K.Shimizu: "Scheduling Policy and Mechanism of Parsley, A Parallel Programming Environment"Proceedings of 12th IASTED International Conference PDCS. 605-610 (2000)
• [文献書誌] 関嶋政和, 高崎慎也, 中村周吾, 池口満徳, 清水謙多郎: "サブタスク間の依存関係に基づくスケジューリング機構を備えた並列プログラミング環境の開発"情報処理学会論文誌プログラミング. 41,SIG2(PRO6). 65-77 (2000)