大規模計算科学部門
Large-ScaleComputationalScience 5HVHDUFK Division
12.2 研究概要

部門スタッフ

本部門の研究分野をひとことでまとめると学際計算物

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理学である。統計力学や非線形動力学の理論を基礎と学専攻博士後期課程修了、1987 年 2 月 大阪大学

し、計算機シミュレーションなどの計算物理学的手法

理学部物理学科助手、1993 年 8 月 同助教授 (改組を用いて、物理学と生物学や工学との学際領域の研究により、現在、大阪大学大学院理学研究科)、2000に取り組んでいる。現在の主な研究テーマはタンパク年 4 月より、大阪大学サイバーメディアセンター

質の折り畳みとデザイン、分子モーターの運動機構解

大規模計算科学研究部門教授。日本物理学会会

明、生態系や免疫系などの生物ネットワークの進化と員。理学博士。

安定性、高速道路交通流などである。
また、計算科学の分野では計算手法の開発も重要な課題である。我々の部門では、特にモンテカルロシミュ
レーションの拡張 (拡張アンサンブル法) とそれをもちいたレア・イベントのサンプリングについて精力的に研究を行っている。

3 教育・研究等に関わる全学支援((C) 水玉蛍之丞)

サイバーメディアセンター高性能計算機委員会、高校生のためのスーパーコンピューティング・コンテス

2ト、共通教育情報教育科目「計算機シミュレーション教育・研究概要入門」担当など

本年度は以下の学内の講義を担当した(1) 共通教育・専門基礎科目

4 2013 年度研究業績

力学 1 (菊池)(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)4.1 天然変性タンパク質の機能とゆらぎ(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)従来のいわゆるタンパク質フォールディング研究では、 天然状態（あるいは基底状態）のみを問題とし、(4) 理学部専門科目
数理物理学 3 (物理学科、菊池)物理学特別研究 (物理学科、菊池)

主として天然構造予測に重点が置かれてきた。しかし、(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)由エネルギー構造全体が折れたたみに対して最適化さ(6) 大学院生命機能研究科科目
基礎数学 1 (分担、菊池)

ンパク質では天然構造のみならず、そこに至るための近年、エネルギーランドスケープ理論あるいはいわゆるファネル描像が大きな成功を収め、タンパク質の自れているという認識が広がりつつある。すなわち、タ自由エネルギー構造全体が進化的に形成されてきたものと考えるのである。

2.1

また、タンパク質は修士論文

なく機能発現

熱力学的安定構造だけではをも実現するように進化してきたも(1) 増田愛, 分子擬態と自己免疫疾患の数理モデル（大学院理学研究科物理学専攻）のであるが、ファネル理論の考え方を敷衍するなら、(2) 小間洋和，自然画像における事前分布推定（大学院理学研究科物理学専攻）しているはずと我々は考える。特に、アロステリック機能もまた端的に自由エネルギーの大域的構造に反映
酵素や生体分子モーターなど、機能発現に大きな構造変化を伴うタンパク質では、その構造変化は「部分的－ 27 －

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ていると考えるのは自然である。
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

4.3 画像データの統計力学的修復
ベイズ統計にもとづく画像データの修復には事前分布が必要である。従来は適当な仮定のもとにランダムな事前分布を用いていたが、本年度は、自然画像のセットから事前分布がもつべき性質を導いた (小間、小渕)ࠋ

は、格子模型やバネ・ビーズ模型など粗視化されたモデルに基づく計算機シミュレーションである。なお、格4.4 拡張アンサンブル法の応用

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・伊庭幸人教授と協力して開発した Multi-Self-

拡張アンサンブルを用いたモンテカルロ法の新たなOverlapEnsemble(MSOE)MonteCarlo法が現時点で世応用も重要なテーマであり、継続的に取り組んでいる。

界最強の計算手法であり、この手法の利点を生かした今年度はレアイベント・サンプリングにマルチカノニ計算を行っている。

カル法を適用して、自己回避ウォークの数を数えあげ

菊池は科研費新学術領域「天然変性タンパク質の分子る研究を行った (白井、菊池、学会発表) ࠋ

認識機構と機能発現」に計画研究分担者として参加している。天然変性タンパク質は単体では変性状態にありながら、他のタンパクと結合すると構造を作る (coupled

4.5 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folding-and-binding といわれる) 一連のタンパク質で、最近大量に発見され、注目を集めている。

な相転移とみなす立場での研究を継続している。この本年度は (1) ターゲットの揺らぎも考慮した格子モ

立場では交通工学での理解と違い、ボトルネックがなデルによる天然変性タンパク質の自由エネルギー景観くても密度をコントロール・パラメータとして渋滞がから、天然変性タンパク質の大きな構造揺らぎによっ発生する。この「ボトルネックなしの渋滞発生」を実て、ターゲットタンパク質に段階的に結合していくこと証する実験をナゴヤドームを使って行った結果の解析ができるというシナリオを提案した (白井・菊池、論文を続けている。今年度は、「自由走行流・渋滞流」の相発表済) (2) 単体が生理条件下て折れ畳まない理由をフ転移が起きていることを実験結果から明らかにし、論ラストレーションを作り出す相互作用によるものと考文として発表した (只木、菊池他)。なお、この論文はえ、簡単なモデルを用いて coupled folding-and-binding掲載された NewJournalofPhysics誌の 2013年のハイが生じるメカニズムを提案した (松下・菊池、論文発表

ライトのひとつとして取り上げられた。

済) (3) 折れたたみのダイナミクスをエネルギー空間でのマルコフ過程と捉え、熱平衡状態での遷移確率から、状態間遷移ネットワークを求める試みを行っている (松4.6 研究協力

下・菊池、学会発表) (4) 細胞内での分子混雑を想定し、学内・学外の多くの研究者と積極的に研究協力を行う天然変性タンパクのひとつである αsinuclein のアミロことにより、研究の活性化を計っている。また、学内・イド形成を記述する格子ガスモデルを構築し、実験で学外の多くの研究者と積極的に研究協力を行うことに観測されている 4 量体形成がアミロイド形成を抑制すより、研究の活性化を計っている。また、博士研究員る様子などを観測した (白井・菊池、学会発表) ࠋとして松下勝義氏 (科研費研究員)、小渕智之氏 (学振特別研究員)、理学研究科物理学専攻博士後期課程学生と4.2

して白井伸宙と大浦健志の 2 名が研究に参加した ࠋ

数理生態学

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・ダイナミクスおよび中立モデルに対する、非線形動力学的・統計力学的・計算物理学的研究を行った。本年

5 社会貢献に関する業績
5.1 「ニセ科学問題」へのとりくみ

度は (1) 空間を取り入れた中立モデル (格子モデル) の科学者が社会に貢献するありかたのひとつとして、中立性を緩めた場合の効果を調べた (大浦、時田、学会「ニセ科学」に警鐘を鳴らす活動に取り組んだ。 なお、発表)。また、自己免疫疾患を理解するため、ウィルス

ここには一般市民向けの活動のみをまとめる。大学非と免疫応答を含むシステムの振る舞いを調べた (増田、常勤講師等は該当項目参照 (菊池)ࠋ

時田) ࠋ－ 28 －6 2013 年度研究発表論文一覧

5.1.1 講演等
(1) 5/28 大阪府市連携消費者月間講演会「信頼できない話は大声でやってくる–ニセ科学にだまされない暮らし方」(追手門学院大阪城スクエア)

6.1 著書(1) 菊池、”いちから聞きたい放射線のほんとう いま知っておきたい 22 の話”（小峰公子、おかざき(2) 11/4 サイエンスカフェ in 高松「暮らしと科学を隔てるもの–その河を渡りきるために」(サンポー真里と共著、筑摩書房、2014 年)

トホール高松)6.2 解説・紀要等
5.2「放射線問題」へのとりくみ(1) 拡張アンサンブル法を用いた self-avoiding walkの数の推定、白井伸宙、数理解析研究所講究録

2011 年 3 月の東京電力福島第一原子力発電所事故以No.1848, p.108「次世代計算科学の基盤技術とその展開」、2013 年 8 月

降、放射線について解説する勉強会などを行ってきたが、本年度はミュージシャンの小峰公子氏、マンガ家のおかざき真里氏との共著で、一般向けの易しい放射線の解説「いちから聞きたい放射線のほんとう」を出版した (菊池) ࠋ

5.3

6.3 原著論文(1) Nobu C. Shirai, Macoto Kikuchi, Structural ﬂexibility of intrinsically disordered proteins induces

教育面における社会貢献

stepwise target recognition(2) Katsuyoshi Matsushita, Munetaka Sasaki, Tuyoshi

5.3.1 高校生向け活動

Chawanya, ”Swing Casting Boost for Steady Domain Wall Breathing”, J. Phys. Soc. Jpn. 83(1)(2014) 013801(1) サイバーメディアセンターと東京工業大学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(3) Munetaka Sasaki, Susumu Tanaka, Yousuke
Norizuki, Katsuyoshi Matsushita, Jun Sato, Hi-

5.3.2 大学・一般向け活動

roshi Imamura, ”Penetration of a magnetic wall into
thin ferromagnetic electrodes of a nano-contact spinvalve”, J. Phys. Soc. Jpn. 82 (2013) 074716.

(1) 第５回大阪大学・大阪音楽大学ジョイント企画レクチャーコンサート「奏でる物理学」11/30 (菊池)6.4 プロシーディングス

5.3.3 他大学非常勤講師等(1) Nobu C. Shirai, Macoto Kikuchi,(1) 岡山理科大学「現代人の科学」10/12 (菊池)(2) 神戸大学大学院システム情報学研究科集中講義「大規模数値シミュレーション特論」（菊池）5.4

How to estimate

the number of self-avoiding walks over 101 00 Use
random walks. , Interdisciplinary Information Sciences19 79 (2013)(2) Nobu C. Shirai, Macoto Kikuchi,
Multicanonical simulation of the Domb-Joyce model and学会活動

5.4.1 論文誌編集(1) Journal of Physicsl Society of Japan 編集委員 (菊池)the Go model:new enumeration methods for selfavoiding walks J. Phys.: Conf. Ser. 454 012039(2013)[doi:10.1088/1742-6596/454/1/012039][arXiv:1212.2181](3) Katsuyoshi Matsushita, Hidetoshi Sugihara, Ma-

5.4.2 研究集会世話人(1) 第 19 回 交通流のシミュレーションシンポジウム
2013 年 12 月、名古屋大学 (菊池)coto Kikuchi, Tomoaki Nogawa, Munetaka Sasaki,”Probability ﬂow on the protein folding energy landscape”, 第 19 回交通流のシミュレーションシンポ
ジウム 論文集 (2013) 61-64－ 29 －6.5

空間明示中立モデル」

国際会議発表(4) 日本生物物理学会、2013 年 10 月

(1) Katsuyoshi Matsushita, Sugihara Hidetoshi, MacotoKikuchi, Tomoaki Nogawa, Munetaka Sasaki, ”Network Analysis of Protein Folding Kinetics Based on(a) Nobu C. Shirai and Macoto Kikuchi, Macromolecular crowding effect on ﬁbril formationof α-synuclein(5) 日本物理学会 第 69 回年次大会 (東海大学)、2014
年3月

Monte Carlo Method”, FSPIP 2013, Kyoto, 20137月
(2) Takeshi Oura and Kei Tokita, ”Spatially-explicit(a) 大浦健志、時田恵一郎、「ランダム相互作用をもつ Bouchaud-Mezard モデル」

nearly neutral model in ecology”、2014 Winter qbio Meeting、2014,2,17-20、Hawaii、USA(b) 白井伸宙、菊池誠、「α-シヌクレイン繊維形成に対する分子混雑の影響」(c) 松下勝義, 杉原秀理, 菊池誠, 能川知昭,(3) Kazutaka Takahashi and Tomoyuki Obuchi, ”Zerosof the partition function and dynamical singularities
in spin-glass systems”, ICSG2013 (Hokkaido Uni-

佐々木志剛、「結合と折りたたみの共起にversity, Sapporo, Japan, 2013/7/28-30)(4) Tomoyuki Obuchi, Remi Monasson and Simona

おけるエネルギー地形のファネル化の検証」(6) 第 61 回日本生態学会大会 (広島国際会議場)、2014年3月(a) 大浦健志、時田恵一郎、「中立仮説におけCocco,”Inverse Problem based on Randomized Moment Matching and Maximum Entropy Principle”,
ICSG2013 (Hokkaido University, Sapporo, Japan,

る中立性の破り方が多様性のパターンに与2013/7/28-30)(5) K. Matsushita, H. Sugihara, M. Kikuchi, T. Nogawa
and M. Sasaki, ”Dynamical Property due to Frustration Induced Intrinsic Disorder of NRSF/REST”,
The 51st Annual Meeting of the BSJ, 国立京都国際える効果」

6.7 国内研究会発表(1) 定量生物学の会 第 6 回年会 (大阪大学), 2013 年会館

6.6

11 月
(a) 松下勝義, 杉原秀理, 菊池誠, 能川知昭, 佐々木志剛、「タンパク質構造からのエネルギー国内学会発表地形再現」(1) 蛋白質科学会 (鳥取)、2013 年 6 月(a) 白井伸宙、菊池誠、「統計力学モデルで探る
天然変性タンパク質の機能―混雑した環境(2) 第２回天然変性蛋白質計算科学セミナー (御殿場
高原 時之栖 Hotel Brush Up), 2014 年 2 月(a) 松下勝義、「エネルギー地形をネットワーク模型から見る」

下でのシグナル伝達に注目して」(2) 日本物理学会 秋季大会 (徳島大学)、2013 年 9 月(3) 統計物理の新展開 2014(北海道大学), 2014 年 3 月(a) 松下勝義, 杉原秀理, 菊池誠, 能川知昭, 佐々(a) 大浦健志、時田恵一郎、「格子ほぼ中立モデルにおける中立適応度仮説と群集のパターン」(b) 白井伸宙、菊池誠、「天然変性タンパク質の木志剛、「タンパク質構造からのエネルギー地形再現」

構造ゆらぎを生かした密度変化誘起型シグ
ナル伝達過程 II」(c) 松下勝義, 菊池誠, 能川知昭, 佐々木志剛、「Wang-Landau 法によるタンパク質折り畳み経路のサンプリング」

7 競争的資金獲得状況(d) 松下勝義, 佐々木志剛, 茶碗谷毅、「磁壁スピ
ントルク振動子の共鳴による DC 下振動誘

(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))

起:Swing Casting 機構」(3) 第 23 回日本数理生物学会大会 (静岡大学)、2013
年9月(a) 大浦健志、時田恵一郎、「中立性をゆるめた(2) 平成 21(2009) 年度〜 文部省科学研究費補助金 (基盤研究 (B))「交通流および自己駆動粒子系の流動機構の解明」(菊池: 分担、代表: 杉山雄規 (名古屋大学情報科学研究科)－ 30 －