大規模計算科学研究部門
Large-Scale Computational Science Division1(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)サイエンス・フィクション: 科学と物語のあいだ

部門スタッフ

教授 菊池誠略歴: 1986 年 3 月 東北大学大学院理学研究科物（菊池）(4) 理学部専門科目

理学専攻後期課程修了、1987 年 2 月 大阪大学理学部物理学科助手、1993 年 8 月 同助教授 (改組

統計物理学 2 (物理学科、時田)により、現在、大阪大学大学院理学研究科)、2000

統計物理学 2 演義 (物理学科、時田)

年 4 月より、大阪大学サイバーメディアセンター

統計物理学 3 (物理学科、菊池)

大規模計算科学部門教授。日本物理学会、日本応物理学特別研究 (物理学科、分担、菊池・時田)

用数理学会各会員。理学博士。

(5) 大学院理学研究科科目
非線形物理学（時田）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、時田)

2.1 卒業論文(1) Jun Damin, ネットワークの構造とその探索（理学((C) 水玉蛍之丞)

准教授 時田部物理学専攻）

恵一郎(2) 由良嘉啓、 生態系の格子モデル（理学部物理学

略歴: 1994 年 3 月 東京大学大学院理学研究科相専攻）

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、大阪大学サイバーメディアセンター大規模計算科学

2.2 修士論文

部門助教授、2007 年 4 月より同准教授。日本物(1) 白井伸宙、粗視化モデルを用いた蛋白質の柔らか理学会、日本数理生物学会、日本生態学会、日本さの意味の探求：天然変性タンパク質を中心とし進化学会、個体群生態学会各会員。理学博士。て（大学院理学研究科物理学専攻）(2) 菅原啓、生態学における中立モデルの研究（大学院生命機能研究科）(3) 藤兼典史、対称的 OV モデル結合系の振動伝達特性（大学院理学研究科物理学専攻）

2.3 博士論文(1) 斎藤稔、Robustness in Biological Systems: De-2

sign Approach Using Multicanonical Monte CalroMethod （生命システムの頑健性：マルチカノニ

教育および教育支援業績

本年度は以下の学内の講義を担当した

カルモンテカルロ法を用いたデザインによる解(1) 共通教育・専門基礎科目
力学 2 (菊池)析） (大学院理学研究科物理学専攻)(2) 杉浦正康、Statistical Mechanics of Stability and Di-

ナノサイエンスの世界（分担、時田）

versity in a Large Ecosystem with Adaptation andMutation (適応と突然変異のある大規模生態系の安定性および多様性に関する統計力学） (大学院(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)理学研究科物理学専攻)

㸫㸫

3

行っている。

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4.1.1 タンパク質の二量体形成

し、計算機シミュレーションなどの計算物理学的手法

タンパク質凝集のメカニズム、特に二個のタンパクを用いて、物理学と生物学や工学との学際領域の研究

質が「閉じ込め」の効果によって凝集するメカニズムに取り組んでいる。現在の主な研究テーマはタンパクを引き続き Go-like モデルを使って調べている (高城・質の折り畳みとデザイン、分子モーターの運動機構解菊池、学会発表)。

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ある。

4.1.2 天然変性タンパク質

また、計算科学の分野では計算手法の開発も重要な

菊池は科研費新学術領域「天然変性タンパク質の分子課題である。我々の部門では、特にモンテカルロシミュ認識機構と機能発現」に計画研究分担者として参加してレーションの拡張 (拡張アンサンブル法) について精力いる。天然変性タンパク質は単体では変性状態にあり的に研究を行っている。

ながら、他のタンパクと結合すると構造を作る (coupledfolding-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。

4研究成果

4.1

タンパク質の機能とゆらぎ

本年度は (1) ターゲットの揺らぎも考慮した格子モデルによる天然変性タンパク質の自由エネルギー景観(白井・菊池、学会発表) を求めた (2) 単体が生理条件
従来のいわゆるタンパク質フォールディング研究で下て折れ畳まない理由をフラストレーションを作り出は、 天然状態（あるいは基底状態）のみを問題とし、す相互作用によるものと考え、簡単なモデルで coupled

主として天然構造予測に重点が置かれてきた。しかし、folding-and-binding のメカニズムを検討した (松下・菊近年、エネルギーランドスケープ理論あるいはいわゆ池、学会発表および論文準備中)

るファネル描像が大きな成功を収め、タンパク質の自由エネルギー構造全体が折れたたみに対して最適化されているという認識が広がりつつある。すなわち、タ4.2 理論生物学

ンパク質では天然構造のみならず、そこに至るための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。
また、タンパク質はなく機能発現

昨年度に引き続き、計算物理学、統計物理学、非線形物理学などの手法を用いて以下に示す生物モデルの理論的研究を進めた。

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のであるが、ファネル理論の考え方を敷衍するなら、4.2.1 大規模生態系モデル

機能もまた端的に自由エネルギーの大域的構造に反映しているはずと我々は考える。特に、アロステリック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。

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。特に、英国マンチェスター大学の Tobias 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

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、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・タ方程式に対する統計力学・計算物理学的な研究を行い、時田が国際会議等で研究発表を行った。2010 年度
も引き続き Galla 氏との国際共同研究を進める予定である。さらに博士前期課程菅原啓氏と、空間の効果を取り入れた２次元中立格子モデルの研究を進め、菅原が日本物理学会等で研究発表を行った。

伊庭幸人助教授と協力して開発した Multi-Self-Overlap

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２０１０年１０月１８日から２１日まで、中国北京で開催された国際会議「The third China-Japan Colloquiumof Mathematical Biology」において、招待講演「Adaptive㸫㸫species interactions promote species abundance（適応的4.5 研究協力な種間相互作用が種の豊富さを促進する)」を行った。
また、２０１０年９月１０日から１２日まで、平成22 年度交流協会短期グループ派遣事業の海外渡航費助成を受け、時田が、博士前期課程白井伸宙、菅原啓、藤兼典史らと台湾国立中興大、国立台湾大、中央研究院を訪問し、国際ワークショップ「2010 NCTS September

Workshop on Critical Phenomena and Complex Systems」に出席し、時田が招待講演「Random Matrices and Their
Application to Mathematical Biology(ランダム行列と数理生物学への応用)」を行い、大学院生らはポスター発表を行った。

4.3

学内・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、学内・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、博士研究員として松下勝義氏 (科研費研究員)、井上雅世氏 (学振特別研究員)、理学研究科物理学専攻博士課程学生として杉浦正康・北島正顕・斉藤稔の 3 名が研究に参加した。

5 社会貢献5.1 「ニセ科学問題」へのとりくみ

生命現象の稀さタンパク質が典型的なランダムポリペプチドではないことに代表されるように、進化によって構築されてきた生命現象には、最も実現しやすいものが実現するという統計力学的な考え方では捉えきれない面がある。

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、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)

そこで、我々は生命現象はどの程度稀なものであるかを統計力学の手法に基づく「レアイベント・サンプリン

5.1.1

グ」で調べている。本年度は、(1) 表現系・遺伝子系へ講演等(1) 6/25 竜野市消費生活センターの摂動に対する頑健性が遺伝子制御ネットワークにど(2) 7/8 名大カフェ ”Science, and Me”「科学と神秘の間」(3) 9/2-3 福井市消費生活センターのような性質をもたらすかをカオス (logistic 写像) 結合系を用いたモデルで調べ、遺伝子系への摂動に対する頑健性の要求が edge of chaos 状態を導くことを示した(4) 9/17 シニア自然大学 (大阪)
(5) 9/18 吹田市民会館(斉藤・菊池、論文準備中) (2) 自由度が増える力学系のモデルとして、片岡によって提案されたグラフ・オートマトンを拡張し、ルールの違いによる分裂・増殖の(6) 9/28 養父市(7) 10/16 東京大学 GCOE「世界を先導する原子力教育研究イニシアチブ」主催「科学技術と社会安全モードの違いを分類することを試みた (北島・菊池、学会発表)の関係を考える市民講座 2010」第 2 回「科学技術リテラシーを考える」

4.4(8) 10/20 石油学会ペトロテック(9) 10/29 泉佐野市
(10) 1/22 鳥取市サイエンスカフェ

その他

4.4.1 拡張アンサンブル法の応用(11) 1/29 吹田市(12) 2/5 消費生活アドバイザーコンサルタント協会

拡張アンサンブルを用いたモンテカルロ法の新たな応用も重要なテーマであり、継続的に取り組んでいる。

(大阪)(13) 3/19 911 事件を検証する公開討論会

4.4.2 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な相転移とみなす立場での研究を継続している。この

5.1.2 テレビ番組等

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発生する。この「ボトルネックなしの渋滞発生」を実証する実験を作年度、ナゴヤドームを使って行ったが、今年度は引き続きその結果の解析を行った。

㸫㸫(1) 5/16 ニコニコ生放送「シノドス・セミナー」(2) 5/18 朝日ニュースター「宮崎哲弥のトーキング・ヘッズ」(3) 9/26 ニコニコ生放送「ニコ生シノドス 01 ホメオ
パシー騒動とニセ科学論争の行方」

5.1.3 論説5.3.3 研究集会世話人(1) ホメオパシーをめぐって (1)-(3) Synodos Journal
および WEBRONZA

5.2(1) 第 16 回 交通流のシミュレーションシンポジウム
2010 年 11 月 25 日 (木)-26 日 (金)、名古屋大学(菊池)

教育面における社会貢献

6 2010 年度研究発表論文一覧

5.2.1 高校生向け活動(1) ２０１０年８月２３日ー２７日、サイバーメディ

6.1 解説・紀要等

アセンターと東工大学術国際情報センターの主(1) 菊池誠、”サイエンス＠カフェ”、日本機械学会誌、
vol114, p112-113, 2011.
(2) 菊池誠、”プログラミング、何をどう教えている

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。

Processing によるプログラミング教育”、情報処理、vol52, no.2, 2011.
か5.2.2 大学・一般向け活動(3) 菊池誠、”ニセ科学問題から見た科学リテラシー”、日本の学者、vol46, no.2, 2011.
(4) 時田恵一郎、”中立モデルの新展開”、京都大学数(1) 大阪市立科学館科学館友の会総会講演「スーパーコンピューター」5/15(菊池)(2) 阪大 twitter bot 夜話、 2011/3/2、 大阪大学豊中キャンパス オレンジショップ (菊池・北島・白井)

理解析研究所講究録、No.1706, pp1-14, 2010.

6.2 原著論文

5.2.3 他大学非常勤講師等(1) Akimasa Kitajima, Yukito Iba, ”Multicanonicalsampling of rare trajectories in chaotic dynamicalsystems”, Computer Physics Communications, 182,

(1) 群馬大学工学部集中講義「統計力学と計算機シミュレーション」(2010/10/10-12、菊池)(2) 明治大学 (情報コミュニケーション論「オカルト〈科学〉と〈非科学〉の間-」(2010/6/14、9/27、菊池)(2011), 251-253.
(2) Nen Saito, Yukito Iba and Koji Hukushima(3) 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」、 神戸大学、（2010/7/18-20、菊池・時田）with large spectral gap by multicanonical Monte
Carlo Computer Physics Communications 182

5.2.4 国際大学間交流(2011) 223.
(4) Atsunari Katsuki,Macoto Kikuchi,Hiraku Nishimori,Noritaka Endo,Keisuke Taniguchi, ”Cellular(1) 2010 年 12 月 11 日ー 12 日に学術総合センターで開催された ACM/ICPC(国際大学対抗プログラミングコンテスト) アジア地区予選に、大阪大学チーmodel for sand dunes with saltation, avalanche andstrong erosion: collisional simulation of barchans”,

ム”Imo (Kentaro Imajyo, Kodai Miyamura, TakuyaHashimoto)” が出場した際、時田が監督・コーチ

Earth Surface Processes and Landforms, Volume 36,Issue 3, pages 372–382, 15 March 2011.

を務め、同チームは９位入賞を果たした。

5.3

Multi-

canonical sampling of rare events in random matrices PHYSICAL REVIEW E 82, 031142 (2010).
(3) Nen Saito and Yukito Iba Probability of graphs

学会活動

6.3 国際会議発表

5.3.1 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)(1) Nen Saito, Macoto Kikuchi, Yukito Iba, ”Large deviations in random regular graphs by multicanonicalMonte Carlo”, International, Conference on Core
Research and Engineering Science of Advanced
Materials (Global COE Program), PS II-2, Osaka

5.3.2 論文誌編集(1) Journal of Physicsl Society of Japan 編集委員 (菊池)㸫㸫University, May, 2010.
(2) Kei Tokita and Masanori Sugiura, ”Adaptive speciesinteractions promote species abundance”, The Third
China-Japan Colloquium of Mathematical Biol-25 日-28 日(a) 白井伸宙、菊池誠、 「格子ガスモデルを用

ogy (CJCMB3), North Sea Green Garden, Beijing,
China. October 18-21. Invited.

いたタンパク質結合プロセスの熱力学的解(3) Kei Tokita ”Random Matrices and Their Application to Mathematical Biology”, 2010 NCTS
September Workshop on Critical Phenomena and(b) 藤兼典史「OV モデルの伝達特性」（ポスター）(c) 松下勝義「天然変性タンパク質の結合折りたたみ現象の粗視化模型を用いた解析」

Complex Systems, Institute of Physics, Academia
Sinica, Taiwan, September 10-12, 2010. Invited.

(4) 日本生物物理学会年会 (東北大)、 2010 年 9 月 20日-22 日(4) Nobu Shirai, ”A lattive model of intrinsically disorderd proteins”, 2010 NCTS September Workshop
on Critical Phenomena and Complex Systems, Insti-(a) 井上雅世、金子邦彦「多自由度の遺伝子ネッ
トワークモデルにおける適応応答の協同的進化」(口頭、ポスター)

tute of Physics, Academia Sinica, Taiwan, September 10-12, 2010. Poster.

(b) 白井伸宙、菊池誠、 ”A Lattice Model of Intrinsically Disordered Proteins” (ポスター)(5) Hiroshi Sugahara, ”Relaxing neutrality of a neutralmodel on a square lattice”, 2010 NCTS September Workshop on Critical Phenomena and Complex(5) 日本生態学会 第 58 回日本生態学会大会、札幌コンベンションセンター、 2011 年 3 月 8 日-12 日(a) Kei Tokita, ”Linking population dynamics

Systems, Institute of Physics, Academia Sinica, Taiwan, September 10-12, 2010. Poster.

with species abundance patterns”(S03-6、 シンポジウム、 英語セッション、口頭)(6) Norifumi Fujikane, ”The transmission characteristics of OV model”, 2010 NCTS September Workshop on Critical Phenomena and Complex Sys-

(6) 日本進化学会 東京大会 東京工業大学大岡山キャンパス、 2010 年 8 月 2 日-5 日(a) 吉田勝彦、時田恵一郎 ”生態系の融合時に絶tems, Institute of Physics, Academia Sinica, Taiwan,
September 10-12, 2010. Poster.

滅を起こしやすい生態系の性質について”(ポ6.4

析」(口頭)

スター)(7) 日本古生物学会 2010 年 年会、 つくば国際会議場・筑波大学、2010 年 6 月 10 日-13 日(a) 吉田勝彦、時田恵一郎 ”融合に弱い生態系

国内学会発表の性質” (A28、口頭)(1) 日本蛋白質科学会年会 (札幌)、2010 年 6 月 16 日18 日(a) 菊池誠、 「粗視化タンパク質モデルによる天然変性タンパク質の計算機シミュレー

6.5 国内研究会発表

ション」(2) 日本物理学会 2010 年秋季大会 (大阪府大)、 2010
年 9 月 23 日-26 日(a) 斉藤稔、菊池誠、 「拡張アンサンブル法を用いた頑健な遺伝子制御ネットワークのデ(1) 第 16 回 交通流のシミュレーションシンポジウム
2010 年 11 月 25 日-26 日「OV モデルの伝達特性」(a) 藤兼典史、菊池誠、（口頭）(2) 京都大学数理解析研究所研究会「第７回 生物数ザイン」（口頭）(b) 白井伸宙、菊池誠、 「格子モデルを用いた学の理論とその応用」、2010 年 11 月 16 日-19 日

Intrinsically disordered protein の熱力学的解
析」（口頭）(c) 菅原啓、時田恵一郎、 「空間明示中立モデ的に変動する生態系の多様性について”(a) 杉浦正康、 時田恵一郎、 ”相互作用が適応(3) RCCSB symposium on cellular biophysics(東京大学駒場キャンパス)、 2010 年 12 月 8 日(d) 北島顕正、菊池誠、「レアイベントサンプリ(a) 井上雅世、 ”Evolution of Cooperative Adaptive Response with Multi-degree of Freedom”

ングによる進化モデルの解析」（ポスター）(e) 藤兼典史、菊池誠、「ネットワーク上の OVモデル」（ポスター）（招待講演）(4) 統計数理研究所研究会 マルコフ連鎖モンテカ
ルロ法とその周辺 (統計数理研究所)、 2011 年 3ルにおける中立性の緩和２」（口頭）(f) 松下勝義「天然変性タンパク質の粗視化模型の Wang-Landau 法による解析」(ポスター)(3) 日本物理学会第 66 回年次大会（新潟大学)、 3 月㸫㸫

月 10 日-12 日(a) 北島顕正、「グラフオートマトンのはなし」(b) 斉藤稔、「遺伝子制御ネットワークの頑健性

のデザイン」「天然変性タンパク質の格子モデ(c) 白井伸宙、

7 競争的資金獲得状況

ルとシミュレーション（天然変性タンパク(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質のサーベイ含む）」(d) 菊池誠、「格子タンパク質モデルの周辺」(5) YSM-SPIP2011, 大阪大学サイバーメディアセン
ター、2011 年 3 月 24 日(a) 北島顕正、「グラフオートマトン 〜自発的に自由度を変化させる力学系〜」(b) 松下勝義、「タンパク質の変性状態を生み出す競合効果」「格子ガスモデルを用いたタンパ(c) 白井伸宙、ク質結合プロセスの熱力学的解析」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))(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))(3) 財団法人交流協会 若手研究者交流事業（短期グループ派遣)(Summer Visiting Program) 台湾中央研究院物理研究所、国立台湾大学、国立中興大学（時田）㸫㸫