MOLECULARSCIENCENew ProductMol.Sci.6,NP0021(2012)

GPGPUで実現するバーチャルスクリーニングのための高速分子形状比較プログラム「FastROCS」
Fast
ROCS:Har
nessi
ngt
hePowerofGPU
Computingt
oSpeedUpDr
ugDi
scovery佐藤 秀行a，勝山 マリコa
HideyukiSatoandMa
rikoKatsuyama

1. はじめに算技術が必要とされる分野では急速に実用化が進められて創薬研究の初期段階における活性化合物探索方法の一ついます。特に，ワークステーションクラスの筐体に 4枚のに，市販化合物や各製薬企業が所有する化合物ライブラリGPGPU用のボードを設置することができることから，大規などを対象として行われるバーチャルスクリーニング

模なサーバールームを用意せずに高速並列計算を実現する（VS）があります。これは，条件を満たす化合物を大量の化ことが可能となり，今後益々注目される技術であると考え合物からコンピュータ上で絞り込む方法で，化合物を新たられます。に合成することなく候補化合物の生物学的有用性の確認がntralProcessingUnit
一方，CPU（Ce）用プログラムは一般可能なことから，研究の効率化の観点により近年注目されC++などの言語で作成されていますが，GPGPUで的には C/ています。一方，タンパク質は結合する低分子化合物を，en
CLなどの専用言語で書きなおす
動作させるためには Op

apeectro
化学構造ではなくその形状（Sh）と電子的特徴（El必要があります。そのため，この様に高速化計算に有用なstatics）に基づいて識別しています。つまり，これら特徴を技術であっても，現時点ですべてのプログラムが GPGPUに利用した VSは，化学構造が異なりながら同等の活性を有す移植されているわけではありません。本稿で紹介するる化合物を探索する有用な手法として考えられます。そこ

Fast
ROCSは，CPUで動作する ROCSを GPGPU仕様とするで，我々は低分子化合物の形状に着目し，活性既知の低分

enCL，C++，Pythonを組み合わせ新たに作成しために，Op子化合物の構造にのみ基づいて，数百万化合物からなる大たプログラムです。

規模化合物データベースを対象として VSを実施する分子形状比較プログラム ROCS1を開発しました。ROCSは，こ3. FastROCS

れまでに多くの創薬研究者によりその有用性が実証されてROCSは化合物の形状（Shape）と，構造に含まれる化学おり，タンパク質の活性部位と化合物間の相互作用に基づ

lorgure的特徴を球で定義したもの（Co）を組み合わせ（Fiいて行われる VS（ドッキング）よりも優れているとの報

1peと Colorに基づいて 2分子の重），3次元空間上で Sha2neralPur
告 もあります。本稿では，ROCSを GPGPU（Geapeと Colorの重なりに対して 2分子のなりを最適化し，Shposecomput
ingonGraphicsProcessingUnits）に対応させる

apeと Colorをそれぞ類似性を計算します。ROCSでは，Sh,000倍と飛躍的に高速化し，ことで，計算速度を数百～ 1れガウシアン関数で定義することで，高速かつ高精度の計1秒間に 200万配座の計算処理を実現した高速分子形状比較算を実現しています。

st
ROCSを紹介します。
プログラム Fa

2. GPGPUによる高速並列計算
GPGPUは，通常はグラフィックス表示に使用される 400個以上のコアを配置したボードにより並列計算を実現する高速計算技術です。ワークステーション 1台当たり 1テラフロップス以上の計算能力を追加することができ，高速計xampleofshape(gray)andcolor(ball)for
m que
ry.
Figure1. Anea

検索対象となるデータベースに含まれる化合物の配座

オープンアイ・ジャパン株式会社
050003 東京都港区西新橋 1612 アイオス虎ノ門 904
連絡先 〒 1
URL htt
p://www.
eyes
ope
n.
com/
_jap
an@eyes
open.
com
電子メール oe

©Japa
nSocietyf
orMolecularScience（三次元構造）は，予め OMEGA3等の配座生成専用プログラムで計算しておきます。ROCSは，最初にクエリー（活Page1of2(pagenumbernotf
orcit
ati
onpurpose)

New Pr
oduct

Mol.Sci.6,NP0021(2012)

000万化合物のデータベースを作成し，配座解析プログ
約1ラム OMEGAにより各化合物あたり 5配座程度を発生させてデータベースを作成しました。このデータベースをNVI
DI
A社製 Tesl
aカードを 4枚搭載した Fast
ROCSサーDAをクライアントとして，バーの RAM 上に読み込み，VIRSCBPDBに登録されている 3P0G5のリガンド構造をクエst
ROCS計算を実行しました。その結果，リーとして，Fa
ROCSでは数時間程度必要であった計算が Fast
ROCSでは約25秒で完了し，クエリーとは化学構造が異なりながら立体
lignmentsf
orqueryanddatabasemolecule.
Figure2. ROCSagure
的な重なりの良い化合物を見出すことができました（Fi3）。

性既知の低分子化合物）とデータベース化合物の重心を重ね合わせた後に，データベース化合物の配座を固定したまgure2
ま回転と並進のみで重ね合わせを最適化します（Fi）。
apeと Color
次に，クエリーとデータベース化合物に対し Sh
nimoto類似係数によるスコア値（Tanimotoそれぞれの TaCombo）を算出することによって，クエリーと類似性の高い化合物をデータベースから絞り込みます。ROCSは，1CPU当たり 1秒間に 20から 40化合物を処理することがで

llustrationsho
wingahitdatabasemo
lecule(gray)overFigure3. Anilai
donquery(white).

き，さらに計算をクラスター上に並列化することで，大規模データベースを対象としたバーチャルスクリーニングを実用的な時間内で実現します。

5. まとめFast
ROCSは，活性化合物の構造にのみ基づく VSを，Fast
ROCSは，劇的な高速化を実現するために，これまでGPGPUにより非常に高速で実現する新しいプログラムです。の CPU上での計算を単に GPGPUに移植するだけではなく，数千万化合物のデータベースを対象とした場合，ROCSでデータベースを GPGPUサーバーのメモリ（RAM）上にすは数時間から一晩程度の計算時間が必要であったのに対し，べて読み込む等の基本的な仕様から見直しています。

1分以内での計算を可能にしました。この計算速度の劇的なst
ROCSでは，クエリーとデータベース化合物の重ね合わFa

向上は，単に計算時間が短縮されただけではなく，従来のせを行う過程のうち，重心を重ねるまでの部分を CPUで行2次元構造の類似性に基づく検索と同程度の時間で 3次元構い，後半の最適化部分のみを GPGPUで行っています。ま造に基づく類似性検索を可能とすることから，創薬研究に

ape
た，クエリーとデータベース化合物の類似性計算は，Shおけるパラダイムシフトつまり薬物設計に変革をもたらす

pe
Tanimotoorの類の類似性（Sha）を GPGPUで行い，Colことが可能であると期待されます。

lor
Tanimoto
似性（Co）は CPUで行い，CPUで両者の和をTanimotoComboとして算出します。
st
ROCSは，その高速計算性能を創薬研究現場
さらに Faで最大限に活用出来る様に，クライアント－サーバー型での運用とし，ネットワーク上の端末から数百万化合物のデータベースに対して計算を実行し，1分以内に結果を得nEye社製グラることができます。そのため，例えば Ope

引用文献
ant,J.A.
;Ga
llardo,M.A.
;Pickup,B.J.Comp.Chem.1996,（1） Gr17,1653–1666.
ridan,R.P.
;McGaughey,G.
;Cornell,W.J.Comput.Aided（2） SheMol.Des.2008,22,257–265.
wki
ns,P.C.D.
;Skillman,A.G.
;Warren,G.L.
;Elli
ngs
on,B.
（3） HaA.
;Stahl,M.T.J.Chem.I
nf.Model.2010,50,572–584.

DAを利用すれば，クエリー分フィックス・プログラム VI

tp://pubc
hem.
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bi.
nlm.
nih.
go/
（4） ht子の入力から結果の表示までの一連の操作を容易に実施すsmussen,S.G.
;Choi,H.J.
;Fung,J.J.
;Pardon,E.
;Casarosa,（5） Raることが可能です。

P.
;Chae,P.S.
;Devree,B.T.
;Rosenba
um,D.M.
;Thian,F.S.
;;Konetzki,I.
;Suna
hara,R.K.
;
Kobi
lka,T.S.
;Schnapp,A.

4. 計算速度
PubChem 4から化合物データベースを入手し，薬としてLTERプログラムにより削除後の有用性の低い化合物を FI

Gellman,S.H.
;Pautsch,A.
;Steyaert,J.
;Weis,W.I.
;Kobilka,B.K.Nat
ure2011,469,175–180.
（受理日2012年 4月 3日）

Pa
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