大規模計算科学研究部門
Large-Scale Computational Science Division
1

部門スタッフ(3) 共通教育・基礎セミナー
楽器を作ろう・・・音の科学入門 (分担、菊池)教授 菊池誠略歴: 1986 年 3 月 東北大学大学院理学研究科物理学専攻後期課程修了、1987 年 2 月 大阪大学理(4) 理学部専門科目
統計物理学 3 (物理学科、菊池)

学部物理学科助手、1993 年 8 月 同助教授 (改組により、現在、大阪大学大学院理学研究科)、2000

生態学概論 (生物科学科、時田)

年 4 月より、大阪大学サイバーメディアセンター
大規模計算科学研究部門教授。日本物理学会、日本応用数理学会各会員。理学博士。

統計物理学 2 (物理学科、時田)

統計物理学 2 演義 (物理学科、時田)

物理学特別研究 (物理学科、分担、菊池・時田)(5) 大学院理学研究科科目

多体問題セミナー II (物理学専攻、菊池・時田)(6) 大学院生命機能研究科科目
基礎数学 1 (分担、菊池・時田)

2.1 卒業論文(1) 太田直樹、降水予測のための雨滴成長に関する考((C) 水玉蛍之丞)

察 (理学部物理学科)(2) 増田寛、繰り込み群を用いた Hubbard モデルの解析 (理学部物理学科)

准教授 時田恵一郎

略歴: 1994 年 3 月 東京大学大学院理学研究科相関理化学専攻博士課程修了、1994 年 4 月 大阪大学理学部物理学科助手、2000 年 4 月より、大阪

2.2 修士論文

大学サイバーメディアセンター大規模計算科学
研究部門助教授、2007年 4月より同准教授。日(1) 辻田賢、組織形成のメカニズムにおけるシミュ
レーション (大学院理学研究科物理学専攻)

本物理学会、日本数理生物学会、日本生態学会、
日本進化学会、個体群生態学会各会員。理学博士。

3 研究概要本部門の研究分野をひとことでまとめると学際計算物理学である。統計力学や非線形動力学の理論を基礎とし、計算機シミュレーションなどの計算物理学的手法
を用いて、物理学と生物学や工学との学際領域の研究に取り組んでいる。現在の主な研究テーマはタンパク質の折り畳みとデザイン、分子モーターの運動機構解明、生態系や免疫系などの生物ネットワークの進化と安定性、高速道路交通流、砂丘のダイナミクスなどで2ある。

教育および教育支援業績

また、計算科学の分野では計算手法の開発も重要な

本年度は以下の学内の講義を担当した課題である。我々の部門では、特にモンテカルロシミュ(1) 共通教育・専門基礎科目
ナノサイエンスの世界（分担：時田）(2) 共通教育・情報処理教育科目
計算機シミュレーション入門 (菊池)サイバーサイエンスの世界 (分担、時田)

レーションの拡張 (拡張アンサンブル法) について精力的に研究を行っている。

23

4

研究成果

究分担者として参加している。天然変性タンパク質は4.1

タンパク質の機能とゆらぎ

すると構造を作る (coupled folding-and-binding といわ単体では変性状態にありながら、他のタンパクと結合れる) 一連のタンパク質で、最近大量に発見され、注目従来のいわゆるタンパク質フォールディング研究でを集めている。

は、 天然状態（あるいは基底状態）のみを問題とし、普通のタンパク質は折れたたみ構造を作って機能す

主として天然構造予測に重点が置かれてきた。しかし、るので、この天然変性タンパク質は従来のタンパク質

近年、エネルギーランドスケープ理論あるいはいわゆ

概念を覆すものと考える向きもあるが、我々はこれまるファネル描像が大きな成功を収め、タンパク質の自での研究で「タンパク質の機能部位は大きく熱揺らぎ

由エネルギー構造全体が折れたたみに対して最適化さする」ことを確認してきたので、むしろ、その極端なれているという認識が広がりつつある。すなわち、タ場合として自然に理解できると考えている。このようンパク質では天然構造のみならず、そこに至るためのな天然変性タンパク質の coupled folding-and-binding が

自由エネルギー構造全体が進化的に形成されてきたもどのような自由エネルギー構造によって実現しているのと考えるのである。

かを考えようというのが、我々の目標である。これはまた、タンパク質は“熱力学的安定構造”だけでは前述の二量体形成とも深く関係している。

なく“機能発現”をも実現するように進化してきたも本年度は (1)NRSF の粗視化モデル (2)coupled foldingand-binding の格子モデル、のふたつの研究を開始した。

のであるが、ファネル理論の考え方を敷衍するなら、機能もまた端的に自由エネルギーの大域的構造に反映

前者は、天然変性タンパク質の例として NRSF の天然しているはずと我々は考える。特に、アロステリック

変性領域をとりあげ、肥後 (阪大蛋白研) が全原子計算

酵素や生体分子モーターなど、機能発現に大きな構造で求めた構造をもとに粗視化モデルを構築しようとい変化を伴うタンパク質では、その構造変化は「部分的うものである。後者は coupled folding-and-binding の一

unfolding-and-folding」によって実現され、そのための
自由エネルギー構造までが進化によって作り上げられ般的な自由エネルギー構造を検討するために、大胆に簡略化した格子モデルを構築しようとするものであるていると考えるのは自然である。

(白井・菊池、学会発表)

我々は、タンパク質の構造空間で見た自由エネルギー

景観の特徴を調べることによって、タンパク質の機能発

現メカニズムに迫ろうとしている。主たる研究手法は、

4.2 理論生物学

格子模型やバネ・ビーズ模型など粗視化されたモデルに昨年度に引き続き、計算物理学、統計物理学、非線基づく計算機シミュレーションである。なお、格子模型の熱平衡状態計算については、我々が統計数理研究所・

形物理学などの手法を用いて以下に示す生物モデルのEnsemble (MSOE) Monte Carlo 法が現時点で世界最強の計算手法であり、この手法の利点を生かした計算を4.2.1 大規模生態系モデル

理論的研究を進めた。

伊庭幸人助教授と協力して開発した Multi-Self-Overlap

行なっている。

数理生物学、ゲーム理論、集団遺伝学、数理経済学な

どの様々な分野で研究されているレプリケーター・ダ
イナミクスに対する、非線形動力学的・統計力学的研

4.1.1 タンパク質の二量体形成究を行った。特に、英国マンチェスター大学の Tobias

タンパク質凝集のメカニズム、特に二個のタンパク質は主として単量体として存在するが、機能する際にはGalla 氏、博士後期課程杉浦正康氏と、言語の進化やウィルスなどの病原体の進化のモデルである、レプリ
ケータ・ミューテータ方程式に対する統計力学・計算

量体形成を空間体積を制限した Go-like モデルの分子動正康氏が日本数理生物学会などで発表した。2010 年度

が「閉じ込め」の効果によって凝集するメカニズムをGo-like モデルを使って調べた。具体的には、細胞内で二量体として働くことが知られる λ-Cro repressor の二物理学的な研究を行い、大学院生の博士後期課程杉浦

力学計算によって調べている (高城・菊池, 学会発表)。

も引き続き Galla 氏との国際共同研究を進める予定である。

２００９年４月７日から１２日まで、タイ、プーケッ

4.1.2 天然変性タンパク質トで開催された国際会議 2009 International Conference

本年度より、科研費新学術領域「天然変性タンパク質on Computational & Experimental Engineering and Sciences, ICCES’09 において基調講演「Large-scale Biological Networks(大規模生物ネットワーク)」を行った。

の分子認識機構と機能発現」が始まり、菊池は計画研

242

２００９年７月２７日から３０日まで、平成 21 年度

5 社会貢献日本学術振興会国際学会等派遣事業（第 I 期）の海外渡航費助成を受け、カナダ、バンクーバー市で開催された

5.1 「ニセ科学問題」へのとりくみ

国際会議 International Conference on Mathematical Biol-

科学者が社会に貢献するありかたのひとつとして、「ニセ科学」に警鐘を鳴らす活動に取り組んだ。 なお、

ogy and Annual Meeting of the Society for Mathematical
Biology に出席し、講演「Species abundance distributions,species-area relationships and the Zipf’s law(種個体数分

ここには一般市民向けの活動のみをまとめる。大学非常勤講師等は該当項目参照 (菊池)布、種数面積関係、そしてジップの法則)」を行った。
２００９年１１月９日から１３日まで九州大学で開催された国際会議 The International conference ”Casimir

5.1.1 講演等

Force, Casimir Operator and theRiemann Hypothesis”において招待講演「Random matrices and their application(1) 5/14 淡路消費者センター(2) 8/20 東播磨生活科学センター (加古川)

to mathematical biology(ランダム行列と数理生物学への応用)」を行った。

4.3(3) 8/25 但馬生活科学センター (豊岡)(4) 9/3 小松市生活安全対策室講演会(5) 9/12 大阪府保険医協会学術講演会(6) 11/6 川西市消費生活センター(7) 1/7 北海道高等学校教育研究会講演 (札幌)交通流の物理高速道路交通流における渋滞発生を非線形動力学的(8) 2/1 西播磨生活科学センター (龍野)な相転移とみなす立場での研究を継続している。この立場では交通工学での理解と違い、ボトルネックがな
くても密度をコントロール・パラメータとして渋滞が

5.1.2 シンポジウム発生する。本年度は 2003 年に行った「ボトルネックな大阪大学 21 世紀懐徳堂との共済で「ニセ科学フォー

しの渋滞発生」の実証実験を解析した第二論文を出版

ラム 2009」を開催し、菊池が実行委員長をつとめた

した (Nakayama et al., 2009)。

(11/23 大阪大学中の島センター佐治敬三記念ホール)

さらに、2003 年の実験よりも大きなシステムで、より詳細なデータを取得すべく、本年度はナゴヤドーム
を使って二日間にわたり「ボトルネックなし渋滞」の5.2 教育面における社会貢献

大規模実験を行った。この結果は解析中である。

4.4

5.2.1 高校生向け活動(1) サイバーメディアセンターと東工大学術国際情報センターの主催で「高校生のためのスーパーコン
ピューティング・コンテスト」を開催。菊池が実拡張アンサンブル法の応用

拡張アンサンブルを用いたモンテカルロ法の新たな施委員長をつとめた。

応用も重要なテーマであり、継続的に取り組んでいる。

2009 年度は特に (1) 力学形での珍しい軌道の探索 (北島・伊庭・菊池、学会発表)(2) ランダム行列の最大固有値の分布推定 (斉藤・伊庭・福島・菊池、学会発表) な

5.2.2 他大学非常勤講師等(1) 鶴見大学「ニセ科学問題」(2009/6/30、菊池)どの研究を行なった。

4.5(2) 新潟大学集中講義「生物物理学概論」, 新潟大学,（2010/1/18-20、時田）研究協力

学内・学外の多くの研究者と積極的に研究協力を行う

5.2.3 国際大学間交流

ことにより、研究の活性化を計っている。また、学内・(1) 2009 年 11 月 08 日に東京国立オリンピック記念青少年総合センターで開催された ACM/ICPC(国際

学外の多くの研究者と積極的に研究協力を行うことにより、研究の活性化を計っている。また、博士研究員

大学対抗プログラミングコンテスト) アジア地区予として松下勝義氏 (科研費研究員)、理学研究科物理学

選に、大阪大学チーム”Imo (Kentaro Imajyo, Ayaka

専攻博士課程学生として杉浦正康・北島正顕・斉藤稔

Kashiyama, Etsuko Katsuda)” が出場した際、時田の 3 名が研究に参加した。

が監督・コーチを務め、同チームは８位入賞を果
たした。
25
3

(2) ２００９年１０月２８日から３０日に中国上海交通大学で開催された、第１４回上海交通大学・工社、2009 年

大阪大学学術交流研究会に出席し、講演「Statis-

6.2 原著論文

tial mechanics of complex systems(複雑系の統計力学)」を行った。
(3) ２０１０年３月に、台湾における大阪大学 International Physics Course(IPC) のプロモーション Cam-

(1) Akihiro Nakayama, Minoru Fukui, Macoto
Kikuchi, Katsuya Hasebe, Katsuhiro Nishinari,
Yuki Sugiyama, Shin-ichi Tadaki and Satoshi
Yukawa ”Metastability in the formation of an experimental traffic jam”, 11 (2009) 083025

paginin NTU and NCKU に随行、３月４日に国立
台湾大（台北）にて、さらに３月５日に国立成功大（台南）において模擬授業「複雑系の物理 (Physics

of complex systems)」を行った。さらに、３月６日に国立中興大を訪問、同大生物物理学科教員と6.3 解説・紀要等

会合、IPC のプロモーションを行った。

(1) 菊池誠・岡部豊、”繰り込み群と物性物理学 ～臨
界現象，そして多様な展開へ～”、数理科学 2009.7

5.3

学会活動

6.4 会議報告

5.3.1 国際学会における活動(1) 菊池誠、”『ユリイカ』–科学と疑似科学の時代(1) Program Committee, Fourth International Work-に–”、ポー研究 1 (2009) p.61

shop on Natural Computing (IWNC 2009), HimejiInternational Exchange Center, Himeji, Japan,
2009.

6.5 国際会議発表(1) Kei Tokita, ”Large-scale Biological Networks”,
2009 International Conference on Computational &Experimental Engineering and Sciences, ICCES’09,

5.3.2 国内学会における活動(1) 日本数理生物学会運営委員、日本数理生物学会学会サーバ運営委員会委員 (時田)Hilton Phuket Aracdia Resort & Spa, Phuket, Thailand, April 7-12, 2009. (Keynote)(2) Kei Tokita, ”Species abundance distributions,species-area relationships and the Zipf’s law”, International Conference on Mathematical Biology and5.3.3 論文誌編集(1) Journal of Physicsl Society of Japan 編集委員 (菊池)Annual Meeting of the Society for Mathematical Biology, University of British Columbia, Vancouver,

5.3.4 研究集会世話人

Canada, July 27-30, 2009. (Oral)(3) Kei Tokita, ”Random matrices and their application
to mathematical biology”, The International confer-(1) シンポジウム「交通流のシミュレーション」2009
年 12 月 3 日～12 月 4 日、名古屋大学 (菊池)ence ”Casimir Force, Casimir Operator and the Rieman’s Hypothesis”, Nishijin Plaza, Kyushu Univer-6

2009 年度研究発表論文一覧

6.1

著書

sity, Fukuoka, November 9-13, 2009. (Invited)(4) Kei Tokita, Akimasa Kitajima, ”Supercomputing
Contest 2009”, SC09, Oregon Convention Center,(1) 時田、”数理科学事典”（分担：「多種共存の生態学」（pp241-247）担当）、丸善、2009 年．

Oregon, USA, November 14-22, 2009. (Poster)(5) Nen Saito, Yukito Iba, ”Entropy of graphs with large(2) 時田、シリーズ群集生態学３ ”生物間ネットワー
クを紐とく”（共著：第６章「中立モデルとランダ

ム群集モデル」(pp185-221), コラム２「複雑ネッspectral gap by multicanonical Monte Calro”, Conference on Computational Physics 2009, Kaohsiung, Taiwan, December 15-19, 2009. (Poster)

トワーク理論の基礎」（p223-244）担当)、京都大(6) Akimasa Kitajima, Macoto Kikuchi, Yukito Iba,
”Search for Rare Trajectories in Chaos by Multi-(3) 菊池、”おかしな科学” (渋谷研究所 X と共著)、楽canonical Monte Calro”, Conference on Computa-

学出版会、2009 年.

26
4

6.7 国内研究会発表

tional Physics 2009, Kaohsiung, Taiwan, December
15-19, 2009. (Poster)(1) 北島顕正,“拡張アンサンブル法を用いた CoupledStandard map の研究”，研究集会「双曲型力学系
から大自由度力学系へ」（京都大学）, 2009 年 8(7) Fumiko Takagi, Macoto Kikuchi, and Nobuyasu
Ito, ”Confinement effect on protein dimerization:
Molecular dynamics simulation”, Conference on
Computational Physics 2009, Kaohsiung, Taiwan,
December 15-19, 2009. (Poster)月.

(2) 時田恵一郎「非線形な世界・パターン・砂丘」（招待講演）大阪大学理学部物理学科縦断合宿，ブランナールみささ，鳥取県東伯郡三朝町，2009 年 9

6.6

月.

国内学会発表(3) 時田恵一郎 ”多様なものの量の変動や流れをどう
扱い，どう理解し，どう制御するか？”(招待講演), 「流通と理学に関する研究会」第 1 回研究会，東(1) 斉藤稔・菊池誠 ”遺伝子制御ネットワークの頑健性の進化”, 日本物理学会２００９年年次大会、

岡山大学、２００９年３月２０日－２３日．（ポ

京大学 山上会館，2009 年 9 月.
(4) 時田恵一郎, 「中立モデルの新展開」（招待講演）

スター）(2) 白井伸宙・菊池誠 ”Intrinsically disordered proteinの格子モデル”, 日本物理学会２００９年年次大京都大学数理解析研究所研究会「生物現象に対するモデリングの数理」，2009 年 12 月.

会、岡山大学、２００９年３月２０日－２３日．

（口頭）(3) 菅原啓・時田恵一郎 ”２次元格子中立モデルにお7 競争的資金ける中立性の緩和”, 日本物理学会２００９年年次(1) 平成 21(2009) 年度～ 文部省科学研究費補助金 (新学術領域) 「天然変性タンパク質の分子認識機構

大会、岡山大学、２００９年３月２０日－２３日．

（口頭）(4) Masanori Sugiura, Kei Tokita ”Diversity and transition in the random replicator-mutator equation”, 日と機能発現」(菊池: 分担、領域代表者: 佐藤衛 (横浜市大)、研究代表者: 肥後順一 (大阪大学蛋白研))

本数理生物学会２００９年年会、東京大学、２０(2) 平成 17(2005) 年～平成 21(2009) 年 科学研究費特(5) 吉田勝彦, 時田恵一郎 ”生態系の融合時に起こる現象の非対称性について”, 第 57 回日本生態学会
大会, 東京大学駒場キャンパス, 2010 年 3 月 15

トワークの構造および動的挙動の数理解析」(時定領域研究「生命システム情報」「生物情報ネッ

０９年９月９日ー１１日（口頭)田：分担、代表：阿久津達也（京都大学化学研究
所バイオインフォマティクス研究センター）)(3) 平成 21(2009) 年度～ 文部省科学研究費補助金 (基日-19 日．(ポスター)

盤研究 (B))「交通流および自己駆動粒子系の流動(6) 吉田勝彦, 時田恵一郎 ”生態系の融合の影響”, 日機構の解明」(菊池: 分担、代表: 杉山雄規 (名古本古生物学会 2009 年 年会 千葉大学, 2009 年 6 月

屋大学情報科学研究科)

26 日-28 日. (口頭)(4) 平成 21 年度日本学術振興会国際学会等派遣事業
第 I 期 「国際数理生物会議および数理生物学

会 (SMB) 年会」（2009 年 7 月 27 日～7 月 30 日；

バンクーバー、カナダ)(No.211092).

27
5