2013年12月20日 加古川東高校のみなさんへ
注：本スライドは加古川東高校での講義資料をもとに作成されています（2014年5月19日版）。

生物学とスーパーコンピュータ「京」ー講習ー
理化学研究所
HPCI計算生命科学推進プログラム

江口至洋
yeguchi@riken.jp
1今日は、こんなことをお話しします
スーパーコンピュータ「京」って何？
多くのCPUを協調的に働かせる仕組みを備えた、超並列電子計算機です。縁の下の力持ちとも言える人々の努力の賜物です。

生物学と化学、物理学、数学は陸続き！
スーパーコンピュータは多くの贈り物を私たちに届けてくれています。
その一つに、「学問を結び付け、実りある協力関係を作り上げ、他の方法では解けない問題をも解く道を切り拓いてきた」ことがあります。
生物学を例に、見てみます。

実習（なぜ生物学にスパコンが必要？）

2スーパーコンピュータ「京」って何？

3

昔、計算機は特殊なもの。
プログラム内蔵型計算機
EDVAC（1951年）
アメリカ陸軍とペンシルバ
ニア大学との共同開発

計算機ENIAC（1945年）
アメリカ陸軍が大砲の弾道計算を目的にペン
シルバニア大学と共同開発
Courtesy of Oak Ridge National Laboratory, U.S. Dept. of Energy

4今や、空気のようなもの。
身の回りは計算機にあふれています。
みなさんは計算機なしには生きていけない！

5

スーパーコンピュータ「京」？

どちらかというと、電卓やパソコンが巨大になったのではなく、多くのパソコンが相互に繋がって協力して働いています。
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「京」の構成
システム全体10PFLOPS

計算ラック
システムボード×24

約8万個のCPUを相互に接続
５０ｍ×６０ｍの部屋に鎮座
水冷モジュールCPU

インターコネクトコントローラ

システムボード

12.3TFLOPS

演算性能128GFLOPS
7

「京」の超並列計算を支える人々

20万本のケーブル、総延長1,000Km

8世界のスパコン計算性能ランキング
順位

システム名称1

天河２号

2

設置場所／ベンダー

国名

速さ（PFLOPS）

国防科学技術大学/Intel

中国

33.9

Titan

オークリッジ国立研究所／Cray米国

17.6

3

Sequoiaローレンス・リバモア国立研究所／
IBM

米国

17.2

4

京

理研AICS／富士通

日本

10.5

5

Mira

アルゴンヌ国立研究所／IBM

米国

8.6
2013年11月

Flops（フロップス） 一秒間に処理できる浮動小数点計算の数

9スパコンの性能向上とみなさんのパソコン

33.9PF/s

７～８年後

みなさんが個人で所有するパソコンの性能
現在みなさんが普段使っているパソコンは、20年ほど前の世界最速スーパーコンピュータと同等以上の性能を持っています。スーパーコンピュータも意外と身近にあります。
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http://www.top500.org/statistics/perfdevel/スーパーコンピュータの贈り物！
実験を助け、補完します
ヒトゲノムのビッグデータを解析します
コンピュータなしに新しい自動車を設計することはありません

空気抵抗の低減

実験できないものを、「実験」します
計算機顕微鏡でタンパク質の動きを見ますコンピュータが津波の襲来を予測します

人間の予測能力を向上させます
今やスーパーコンピュータなしに天気予報はできません
心臓の動きをシミュレーションします

人間の思考能力を超える？

気象庁による24時間予想図（平成 25年10月5日9時の予想）

計算機と人間の知的な対話が数学の難問を解きましたコンピュータチェスが世界チャンピョンに勝ちました

新しい発見をもたらします

四色問題

ソリトン（孤立波）を見出す

学問を結びつけ、学際性を強めます

葛飾北斎『神奈川沖浪裏』1831年頃
http://ja.wikipedia.org/

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スーパーコンピュータは、学問を結びつけ、学際性を強めます

例： 生物学と化学、物理学、数学は陸続き！
12www.tmd.ac.jp/artsci/biol/textbook/profile.htm

1965年 ワトソン 「遺伝子の分子生物学」
1958年 ケンドルー： タンパク質のX線結晶構造解析
1953年 ワトソン、クリック： DNAの二重らせんモデル

生物学は離れ小島？

1865年 メンデル： 遺伝の法則
1859年 ダーウィン 「種の起源」

いや。意外と繋がっているのでは離れ小島を繋げ出した人たち

1735年 リンネ 「自然の体系」

1665年 フック 「ミクログラフィア（微小世界の図説）」

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生物は進化し、今のヒトがいる！
「自然選択、すなわち生存闘争において有利な変種が保存されることによる種の起源について」

ところで、遺伝的変異がどのように生じ、いかにして子孫に伝えられるかという遺伝の法則はどうなっているのだろう？

（1809~1882）

http://darwin-online.org.uk/

14

おそらく粒子の形をした「遺伝子」があるのだろう、遺伝の仕組みを明らかにしよう！
２年かけて、純系種を選出し、８年かけて交配実験を行うという「かなりの勇気を必要とする実験」を行った。
優性形質Aと劣性形質aをもつ雑種第１世代（F1）Aaを掛け合わせると、雑種第２世代（F2）に対して次の展開式が得られる。
(A+a)×(A+a)＝AA+2Aa+aa

私は実験物理学の教師です（1822~1884）

http://www.jic.ac.uk/germplas/pisum/zgs4f.htm

15ワトソンとクリック以前（１９５３年以前）
ヒト細胞の核内にある染色体G-band 染色体
女性と男性では異なります。この図はどちら？

１９５３年以前までの一般的な考え「遺伝子は核内の染色体の中のタンパク質が担っているのだろう。」
16ワトソンとクリックが言ったこと！

１９５３年 ワトソンとクリック「遺伝情報はDNAの塩基配列に刻まれている。」

１９６５年
ワトソンの著書「遺伝子の分子生物学」
第２章 細胞は化学の法則に従って生きている
さまざまな生命現象に対するわれわれの理解を分子レベルにまで掘り下げていくならば、やがてわれわれは、生きていく状態の基本的な性質を理解しうる。

PDB：3BSE

Watson JW, Crick FHC (1953) Nature, 171, 737

20世紀後半の生物研究の大きな流れを作った主張です「さまざまな生命現象に対する私たちの理解を分子レベルにまで掘り下げていく」
17タンパク質の機能と構造！
1836年にシュワンによって発見された酵素ペプシン

ペプシン

機能：胃の主細胞から分泌される。
胃の中の酸性環境下で食物を消化するよう最適化されている。
非常にでたらめな酵素で、タンパク質を様々な長さの断片に切断する。

この機能を構造から理解しよう

ペプシノーゲンhttp://www.pdbj.org/mom/index.php?l=ja&p=012

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花成ホルモン（フロリゲン）！1936年チャイラキアンが提唱
2008年版の高等学校の教科書「花成ホルモン： 光周性を示す植物の花芽形成の促進にはたらく物質は花成ホルモン（フロリゲン）と名付けられたが、その実体は明らかではない。」⇒この記述で重要なこと
花成ホルモンの機能（花芽形成の促進）をその実体、つまり分子のレベルで明らかにしようとしています。
2008年版「リードα 生物Ⅰ」
数研出版編集部 編

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花成ホルモン（フロリゲン）！
花成ホルモン（フロリゲン）の分子構造を明らかにする。

フロリゲン
Hd3a

14-3-3
PDB（3AXY）

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計算機と生物学の繋がりが強くなってきました
2012年 スーパーコンピュータ「京」2005年 次世代DNAシークエンサー

計測技術と計算機の飛躍的進歩は、生物学と物理、化学が陸続きであることをわたしたちに気付かせてくれています。

1977年 サンガー： DNA塩基配列決定法
1965年 ワトソン「遺伝子の分子生物学」
1958年 ケンドルー： タンパク質のX線結晶構造解析
1953年 ワトソン、クリック： DNAの二重らせんモデル

1865年 メンデル： 遺伝の法則
1859年 ダーウィン「種の起源」

1735年 リンネ「自然の体系」
1665年 フック「ミクログラフィア（微小世界の図説）」

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「コンピュータシミュレーション」は試験問題にも出ています

2006年の大学入試センター試験「理科 ③」において、以下のような問題が出題されている。
第2問 次の文章を読み，下の問いに答えよ。
Ａ コンピュータの利用について考えよう。
半導体技術の進歩により計算処理能力も高まったので，コンピュータで仮想的に実験を行い，大規模で複雑な現象を予測することもできるようになった。

問２ 上の文章中の下線部を表す語として最も適当なものを，次の①～⑤のうちから一つ選べ。
① コンピュータシミュレーション② コンピュータグラフィックス③ CT(コンピュータトモグラフィー)④ コンピュータ制御⑤ コンピュータ計測
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ヒトゲノムの塩基配列（３０億文字）を全て読み取る
ヒトの場合30億塩基対
HiSeq2500

１番染色体
２番染色体

Y染色体ヒトゲノム

ATCCATCT・・・TCCCTTCTCTG
GAGACTTG・・・GGAGCC・・・・・・・・・・・・・GAACCATG・AAG

イルミナ（株）のご厚意による

gtgccacctc ctgggacgct gccctcgggg tccccgatcg cgaccaaaca agtaagagaa ctctgttgaa gctcgatcct cacctactct ctaaataaaa gaatattcca gagaaggaaa gagagaagca caaatattaa gacttctaga
cccctggaga ggactaaagt ctacccctcc acatggcttc ttctccaatg tgatgctgga gttgaatgaa cttaggactc cactccaagg ttgacttgaa aggtgtgtag aagattggaa agagaaaggt attaagtcat gatgcaggaa
tctgcgacag agacaataag caacagttca atgaatcaaa atggaatgag cactttaagc agccaattag atgctggcag cagggatggg agatcaagtg gtgacaccag ctctgaagta agcacagtgg agctgctgca tctgcaacaa
cagcaggctc tccaggcagc aagacaactt ttgttacagc agcaaaccag tggattgaaa tctcctaaga gcagtgagaa gcagaggcca ctgcaggtgc ccgtgtcggt ggccatgatg actccccaag tgatcacccc tcagcagatg
cagcagattc ttcagcagca ggtcctgtct cctcagcagc tccaggccct cctccagcag cagcaagctg tgatgttgca gcagcaacaa ctacaagagt tttacaagaa acagcaagaa cagttacatc ttcagctttt gcaacagcag
caacagcagc agcagcaaca gcagcaacag cagcagcagc agcagcaaca acagcagcag cagcagcaac agcaacagca gcagcagcaa cagcagcagc aacagcaaca gcatcctgga aagcaagcaa aagagcagca gcagcaacag
cagcagcagc agttggcggc gcagcagctc gtcttccagc agcagcttct ccaaatgcag cagctacagc agcaacaaca tctgctcagc cttcagcgcc agggcctcat ctccatccca cccggccaag cagcccttcc tgtccagtcg
ctgcctcaag ctggcttaag tcctgctgag attcagcaac tatggaaaga agtgactgga gtccatagta tggaagacaa cggcatcaag catggagggc tagacctcac gactaacaat tcctcctcga ctacctcctc caccacgtcc
aaagcatcac cacccatcac acatcattcc atagtgaacg gacagtcttc agttctgaat gcaaggcggg acagctcatc acatgaggag actggggcct cgcacactct ctatggccat ggagtctgca agtggccagg ctgtgaaagc
atatgtgaag attttggaca gtttttgaag caccttaaca atgagcatgc attggatgac cgaagcactg cccaatgtcg agtgcaaatg caggtggtac agcagttaga aatacagctt tctaaggaac gcgaacgtct tcaagcgatg
atgacccact tgcacatgcg accctcagag cccaaaccat ctcccaaacc tctaaatctg gtgtctagtg tcaccatgtc gaagaacatg ctggagacat ccccacagag cttacctcaa acccctacca caccaacggc cccagtcacc
ccgattaccc agggaccctc tgtaatcacc ccagccagtg tgcccaatgt gggagccata cgaaggcgac attcagacaa atacaacatc cccatgtcat cagagattgc cccaaactac gaattttata aaaacgcaga tgttagacct
cccttcactt atgcaacact cataaggcag gctatcatgg agtcatctga caggcagtta acacttaatg aaatttacag ctggtttaca cggacatttg cttacttcag gcggaatgcc gccacttgga agaatgcagt gcgtcataat
cttagcctgc acaaatgttt tgttcgagta gaaaatgtta aaggagcagt gtggactgtg gacgaagtcg aataccagaa gcgaaggtca caaaagataa caggaagtcc aactttagta aaaaatatac ctacaagttt gggctatgga
gcagctctaa atgccagtct gcaggctgcc ttggcagaaa gcagcttgcc tttgctaagt aaccctggac tgatcaataa cgcctccagt ggcctcctgc aggccgtcca cgaagacctc aatggttccc tggaccacat cgacagcaat
gggaacagca gtccgggttg ctcacctcag ccacacatac attcaatcca tgtcaaggaa gaacccgtga ttgcagagga tgaagactgt ccaatgtcat tagtgacaac agccaatcac agtccggagt tagaagatga cagagagatt
gaggaagagc ctttatctga ggacctggaa tgagaacgaa cttgtgacac ctcagtgtga agggacatat cactgacctt cataaccact ccacaaccat gaatagttga caaattttta ctgtgactat ttattaagca tggataaagg

この文字列の文法は？
今だ、全てが解っているわけではありません。

www.riken.jp/r-world/info/release/press/2004/040803/index.html

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ヒトゲノムの塩基配列（３０億文字）を読み取るお値段
100,000,000

ヒトのゲノムを読み取る値段（U.S. $）約１億ドル
10,000,000

Life Technologies

1,000,000

Illumina

Life Technologies

100,000

10,000

約６千ドル
1,000
2000

2001

2002

2003

2004

2005

Adapted from the National Human Genome Research Institute, USA20062007200820092010

2011

2012

2013

2014

Copyright © 2014 Illumina, Inc.. Used under permission.
Copyright © 2014 Life Technologies Corporation. Used under permission.

24赤血球と血小板を含む血流のシミュレーション

人の血液中に占める赤血球の体積の割合はほぼ３５～５０％です（女性は少な目です）。
赤血球は柔らかく、血管中でくにゃくにゃと変形しながら流れています。
白い物体は血小板です。赤血球に押され、壁際を流れます。
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、HPCI戦略プログラム 分野１ 課題３25

心臓の動きをシミュレーション（計算機ビデオ）
心電図

バーチャル心像超音波

・心筋細胞内のたんぱく質の確率的運動から細胞の収縮、心拍動、血液駆出、冠循環までを一貫してシミュレート。
・ シミュレーションから超音波エコー、流速ドップラー、心電図、カテーテル検査などの精緻なデータが再現される。そのデータを基に病態の解析が可能に。
東京大学 久田・杉浦・鷲尾・岡田研究室 協力 富士通株式会社

2626

「科学の精密化」と「科学の統合化」
Life Technologies

細胞Illumina

DNAシークエンサー

NMR（理研）

・・・生
命を理ビ
解ッ
しグ、デ予ー
測タ
すのる多た階め層の統合

計
測技
術の飛躍的進歩

生物学、医学のビッグデータ
Spring-8（理研）

組織心臓

Homo sapiens（約3万遺伝子）

もはや、生物学と物理学、化学、数学は、離れ小島ではなく、陸続きになっています。
Copyright © 2014 Illumina, Inc.. Used under permission.
Copyright © 2014 Life Technologies Corporation. Used under permission.

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2013年12月20日 加古川東高校のみなさんへ
注：本スライドは加古川東高校での講義資料をもとに作成されています（2014年5月16日版）。

生物学とスーパーコンピュータ「京」ー実習ー
理化学研究所
HPCI計算生命科学推進プログラム

江口至洋yeguchi@riken.jp
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