次世代生命体統合シミュレーション
進捗状況報告２００８．９．１７
独立行政法人理化学研究所
次世代計算科学研究開発プログラム
副プログラムディレクター 姫野 龍太郎

研究開発の概要と達成目標
基礎方程式に基づく解析的アプローチと、大量の実験データから未知の法則に迫る実験データから解析へのアプローチにより、異なるスケールの研究と実験データを統合的かつ有機的に結びつけ、ペタスケールという桁違いの性能を持つスーパーコンピュータの性能をフルに発揮し、生体で起こる種々の現象を理解し医療に貢献するためのソフトウェアを開発する。
解析的アプローチ

分子スケール細胞スケール

臓器全身スケール

基礎原理（方程式）∂v
1+ {( v − v 0 ) ⋅∇} v = −∇ ⋅ p +Δv∂t
Re

実験データから解析へのアプローチ
TGCTCTTATCTTCCTCCCACAGCTCTGCTCTTATCTTCCTCCCACAGCTCCTGGCCCATCATGGCTGGTGTGGC
CTGGCCCATCATGGCTGGTGTGGCTAATGCCCGCTATTAAACTTAATAATAATGCCCGCTATTAAACTTAATAAAAAACATTTATTTTCATTGCAATATTAAAACATTTATTTTCATTGCAATATT
TTACTGATATTATACAGGGGGCATG
TTACTGATATTATACAGGGGGCATG
GTTTGACT……
GTTTGACT……

ペタスケール・シミュレーション

データ解析融合

大規模データライフサイエンスの新たな手段の提供○生命現象の統合的な理解（＝生命プログ
ラムの理解・再現・予測）○ヘルスサイエ
ンスへの貢献、先端医療等の技術基盤の構築これまでの経緯
２００６（Ｈ１８）年 ８月

理化学研究所・和光研究所が「次世代生命体統合シミュレーションソフトウェア」の研究開発拠点に選定

１０月

和光研究所に「次世代計算科学研究開発プログラム」を設置、プロジェクトスタート

２００７（Ｈ１９）年 １月

プロジェクト関係者によるワークショップを実施、Ｈ１９年度以降の研究開発の本格稼働に向け、研究計画・新規課題等を検討

２００７（Ｈ１９）年 ４月

各参画機関含め、本格的な研究を開始

１１月

生命体基盤ソフトウェア開発・高度化チームを設置

１２月

新規研究開発課題に関する外部調査を実施（～２００８年３月）
理化学研究所に評価委員会を設置、研究開発目標・研究計画について評価（～２００８年３月）

２００８（Ｈ１９）年 ４月

評価結果を踏まえ、研究開発目標・研究計画の見直し案を検討
（～６月）

６月

外部調査結果等を踏まえ、脳・神経系分野の新規課題の設置を運営委員会にて了承
文部科学省による中間評価、プロジェクトの進捗・開始後の状況変化への対応等を評価（～７月）

研究開発体制
独立行政法人理化学研究所

２００８年９月１日現在
・理研と連携し研究開発を実施。

本所・各研究所

密接な連携

・次世代スーパーコンピュータ開発実施本部
・情報基盤センター 等

密接な連携

次世代計算科学研究開発プログラム(和光研究所)

分子スケールＷＧ
池口満徳（横浜市大）
木寺詔紀（理研）
高田彰二･林重彦（京大）
佐藤文俊（東大）
中村春木（阪大）（次世代生命体統合シミュレーション開発拠点）
プログラムディレクター(PD) 茅 幸二

運営委員会アドバイザリー委員会

副プログラムディレクター：姫野龍太郎

評価委員会
コーディネーター：高田 俊和
中野 明彦、望月敦史

末松誠（慶応大）横田秀夫（理研）
倉智嘉久（阪大）
清野進（神戸大）後藤信哉（東海大）

臓器全身スケールＷＧ

次世代生命体統合シミュレーション研究推進グループ グループディレクター 梶谷 文彦
分子スケール研究開発チーム チームリーダー：木寺 詔紀
細胞スケール研究開発チーム チームリーダー：横田 秀夫
臓器・全身スケール研究開発チーム

細胞スケールＷＧ

チームリーダー：高木 周

松本洋一郎･大島まり･
久田俊明（東大）
高木周（理研）山口隆美（東北大）
松澤照男（北陸先端大）
野村泰伸･和田成生（阪大）
劉浩（千葉大）岡澤重信（広島大）
天野晃（京大）データ解析融合研究開発チーム チームリーダー：宮野 悟
生命体基盤ソフトウェア開発・高度化チーム
チームリーダー：泰地 真弘人

企画調整グループディレクター

堤 精史

データ解析融合ＷＧ
宮野悟（東大）樋口知之（統数研）
秋山泰（東工大）
鎌谷直之（理研）

分子スケール研究開発
開発目標：量子化学計算（ＱＭ）・分子動力学計算（ＭＭ）・粗視化モデル計算（ＣＧ）を総合化する技術を開発、タンパク質や細胞の機能発現過程のシミュレーションにつなげ、細胞スケールとの有機的な連携を図る。

開発計画：ＱＭ、ＭＭ、ＣＧの各スケールでプログラムの開発を進めるとともに、それらの手法を結合したQM/MM、MM/CG法によってマルチスケールシミュレーションを実現するためのプログラムを開発する。
量子化学計算分子動力学計算

より小さく
より短時間
より厳密

粗視化モデル計算

より大きく
より長時間
より近似的

進捗状況：QM/MM/CGの３階層それぞれで計算方法をプログラム化し、テストを続けながら開発、基本的手法のプログラム化が終わり、128-512並列程度まで性能が出るまでになっている。

細胞スケール研究開発
開発目標：ペタフロップス級の計算力を活かして細胞を１００万のボクセルに区画、そこに包括的な実証データを組み込んだシミュレーションの実現を目指す。これにより、薬剤等の作用や副作用の予測を行うシミュレーションの開発につなげる。
開発計画：生物の空間的情報を入れ込むことが出来るプラットフォームの開発と平行して、プラットフォームに実装するためのデータ収集とモデルの構築を進める。また、プラットフォームと各種データ・モデルとの有機的連携を図る。
ゴルジ体 実測データ・形態モデル
細胞情報の収集細胞に関する情報の数値化・データ収集・統一形式
による記述

生物学的情報細胞内の反応情報
代謝経路

細胞の形状変化細胞シミュレーション

細胞シミュレーション
プラットフォーム

細胞をボクセル（空間を格子状に区切った１つの区画）に分割し、生物学的情報を系統的に組み込む。

進捗状況：細胞を約3万個のボクセルに分割、複数のオルガネラを表現し、移流拡散方程式による物質移動をシミュレーションできる細胞シミュレーションプラット
フォームを開発、E-CELL３をベースにした代謝反応がオルガネラ間も含めてシミュレーションできるようになった

臓器全身スケール研究開発
開発目標：ペタフロップス級の計算量を用いて、数時間で実行可能な臓器全身シミュレーションの構築を目指す。これにより、病態予測や治療予測等の医療支援ツールの開発につなげる。
開発計画：血管網、各種臓器、全身を３次元的に再現した臓器全身モデルを構築し、病態予測や治療予測を行う臓器全身モデルを次世代スパコンに実装、循
環器系疾患を始めとする種々の病態のシミュレーションと治療支援シミュレーションにつなげる。
治療・診断の例（超音波を用いた悪性腫瘍の治療予測）

疾患部位

臓器全身モデルの構築
個別患者のモデルを作成

超音波伝搬シミュレーション

進捗状況：1mm分解能の全身ボクセルモデルを開発すると同時に新しい構造流体連成手法と多媒質内の超音波伝搬解析手法を開発した。これらにより、外科手術シミュレーションや収束超音波によるガンの治療等へつなげる基盤を構築した。

データ解析融合研究開発
達成目標：ペタフロップス級の計算によって、創薬ターゲット探索や個人差を考慮した医療のための基盤情報技術の構築を目指す。これにより、ヒト全遺伝子を対象とした創薬ターゲット遺伝子探索の実現につなげる。
開発計画：遺伝子ネットワーク推定・タンパク質ネットワーク推定・ゲノム多型解析技術等の研究、ならびにデータ同化技術の開発を進め、開発した解析法やデータ同化技術を次世代スパコンに実装し、データ解析とシミュレーションを融合した技術を開発する。
シミュレーションモデルの構築

関連するデータをモデルに同化
モデル

データ同化技術
データ（癌などの病気に関わっているモデル）（関連たんぱく質の時系列データ）

病気のシステム的理解による医療開発イノベーション
仮説の自動生成

予測とエラーの発見

新仮説データエラーの発見

進捗状況：分子のネットワークを地図として抽出するための方式として、大規模遺伝子ネットワーク探索及びタンパク質構造に基づく相互作用予測の研究を行い、新たな技術開発の成功と新たな並列プログラムの開発により、これらのプログラムが128～512CPUで稼動するようになった。

生命体基盤ソフトウェア開発・高度化
開発目標：プロジェクトで開発される各種ソフトウェアの高性能化、特に次世代スーパーコンピュータ向けの最適化を行い、次世代スーパーコンピュータの生命科学への応用を促進すると同時にグランドチャレンジを実現する。
開発計画：コアソフトウェア・基盤ライブラリの開発と他チームアプリケーションの調査・高速化に向けた検討を進め、次世代スーパーコンピュータ実機でのアプリケーションの高速化、チューニングを行う。
1050.001
0.0001
1e-05

性能

アムダールの法則

未並列化率

104

1000

並列化度が上がるにつれ、わずかな未並列化でも性能に大きな影響を及ぼす

100

10並列化度1110100

1000

104105106107

進捗状況：本チームは2007年11月に発足、これまでに分子動力学計算ソフトウェアの解析・開発、量子化学計算ソフトウェアの高性能化についての調査、基盤ライ
ブラリ・可視化ソフトウェアの調査・開発を進めた。

中間評価を受けての見直し
分子動力学計算法

全電子量子化学計算
ハイブリッドQM/MM法

膜タンパク・代謝酵素
分子動力学計算法
粗視化シミュレーション

蛋白質の構造サンプリング技術

蛋白質の構造サンプリング技術

肝細胞（代謝）心臓ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ
全身ﾎﾞｸｾﾙﾃﾞｰﾀ・全身力学ﾓﾃﾞﾙ
超音波伝搬ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ

生命体データ同化ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ
ﾀﾝﾊﾟｸ質ﾄﾞｯｷﾝｸﾞ解析ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ
大規模SNP解析ｿﾌﾄｳｪｱ

共通的な
開発対象の設定

肝細胞・肝小葉（代謝）

循環器系ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ(血球・血小板・血流・血管網・心臓）
全身ﾎﾞｸｾﾙﾃﾞｰﾀ・全身力学ﾓﾃﾞﾙ

大規模遺伝子ﾈｯﾄﾜｰｸ探索ｿﾌﾄｳｪｱ
生命体同化ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ

肺がんと薬ﾀﾝﾊﾟｸ質ﾄﾞｯｷﾝｸﾞ解析ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ
大規模SNP解析ｿﾌﾄｳｪｱ

脳神経データ解析融合

大規模遺伝子ﾈｯﾄﾜｰｸ探索ｿﾌﾄｳｪｱ

短期目標
長期目標

細胞ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ統合ﾌﾟﾗｯﾄﾌｫｰﾑ

超音波伝搬ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ
データ解析

臓器全身スケール

血流ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ

臓器全身スケール

イオンチャネル

整理後長期目標に向けた課題

膵臓β細胞

細胞スケール

細胞ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ統合ﾌﾟﾗｯﾄﾌｫｰﾑ

肺ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ

プログラム

ＱＭ／ＭＭ

粗視化シミュレーション

血小板

計算対象

長期目標に向けた課題

ハイブリッドQM/MM法

共通的な
開発対象の設定

開発対象の重点化による整理見直し

細胞スケール計算対象全電子量子化学計算

分子スケール

計算手法

分子スケール

整理前ＱＭ／ＭＭ

神経細胞・局所回路ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ
脳全体ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ

他チームとの連携による効率化

チーム目標と共通目標（モデル化を目指す現象）「生命現象の統合的解明」に向け、スケールを超えた連携を視野に入れつつサイエンスとしてインパクトのある研究開発課題を検討
10～20年後
３年後
統合的解析による情報処理
個々のスケール
生命現象の理解のの要素還元的な可塑性・形態変化
深化・ヘルスサイエ
生命システム
現象解明
ンスへの貢献細胞組織
生化学要素を取り入れた血行動態

脳神経系

臓器全身
スケール

複数細胞
細胞内物質輸送・代謝
血栓形成

細胞スケール

現状の集合体としての臓器

各種パラメータ推定

分子スケール
データ解析融合の定量的計測
データの蓄積統合シミュレーションの例●分子レベルから個体レベルまでの代謝反応の予測●遺伝子変異・細胞のがん化・転移までを含むがんの発生命現象を記 症機序の解明
述する数理モ ●各個人のデータに基づく個
人差を考慮した医療基盤のデルの発展
構築●発生・増殖といった生命現象の根本原理の解明●神経変性疾患の発生機序の解明

代謝反応・膜蛋
白質の動態

ネットワーク推定

将来の統合を見据えた挑戦的な開発課題研究開発の概要と達成目標（平成２０年１０月以降案）
基礎方程式に基づく解析的アプローチと、大量の実験データから未知の法則に迫る実験データから解析へのアプローチ、さらには多階層を連結するアプローチにより、異なるスケールの研究と実験データを統合的かつ有機的に結びつけ、ペタスケールという桁違いの性能を持つスーパーコ
ンピュータの性能をフルに発揮し、生体で起こる種々の現象を理解し医療に貢献するためのソフトウェアを開発する。
スケール間連結アプローチ
実験データから解析
解析的アプローチ
へのアプローチ
イオンチャ○生命現象のTGCTCTTATCTTCCTCCCACAGCTC
ネル
TGCTCTTATCTTCCTCCCACAGCTCCTGGCCCATCATGGCTGGTGTGGC
統合的な理解CTGGCCCATCATGGCTGGTGTGGC
分子スケールTAATGCCCGCTATTAAACTTAATAATAATGCCCGCTATTAAACTTAATAAAAAACATTTATTTTCATTGCAATATT（＝生命プロ グ
AAAACATTTATTTTCATTGCAATATT
TTACTGATATTATACAGGGGGCATG
TTACTGATATTATACAGGGGGCATG
GTTTGACT……
ラムの理解・再GTTTGACT……
現・予測）
神経細胞

細胞スケール

局所回路

ペタスケール・シミュレーション

データ解析融合
臓器全身スケール

システム
全脳

脳・神経系
基礎原理（方程式）モデルによる抽象化∂v
1+ {( v − v 0 ) ⋅∇} v = −∇ ⋅ p +Δv∂tRey=f(x)+g(x)exp(az)･･･

in→→out

大規模データライフサイエンスの新たな手段の提供○ヘルスサイエンスへの貢献、先端医療等の技術基盤の構築マネジメント・体制の強化
現状の組織
次世代計算科学研究開発プログラム
プログラムディレクター 茅 幸二
副プログラムディレクター
姫野 龍太郎
コーディネーター
高田 俊和

運営委員会
アドバイザリー委員会
評価委員会

提案する組織
次世代計算科学研究開発プログラム
プログラムディレクター 茅 幸二
副プログラムディレクター
姫野 龍太郎
コーディネーター
高田 俊和
コーディネーター
中野 明彦

産学連携

運営委員会
アドバイザリー委員会
評価委員会

コーディネート
コーディネーター
望月 敦史

研究コーディネート

次世代生命体統合シミュレーション研究推進グループ：GD梶谷文彦（兼・川崎医大）

次世代生命体統合シミュレーション研究推進グループ：GD梶谷文彦（兼・川崎医大）

分子スケール研究開発チーム

分子スケール研究開発チーム

細胞スケール研究開発チーム

細胞スケール研究開発チーム

臓器全身スケール研究開発チーム

臓器全身スケール研究開発チーム

データ解析融合研究開発チーム

データ解析融合研究開発チーム

生命体基盤ソフトウェア開発・高度化チーム

脳神経系研究開発チーム
生命体基盤ソフトウェア開発・高度化チーム

企画調整グループ

企画調整グループ