生命体統合シミュレーション

Meso

生命体器官

http://info.med.
vale.edu/

マイクロ・マシン
マイクロ・マシン血液循環器系
循環器系
循環器系

マルチ・マルチ・フィジックス
フィジックス

組織構造
組織構造

脳Macro

HIFU
HIFU

細胞

カテーテル・カテーテル・内視鏡手術
内視鏡手術

組織システムシステム
バイオロジー
分子構造解析
分子構造解析 バイオロジー

http://ridge.icu.ac.jp

タンパク質
ゲノム
ゲノム

大量の実験データ
大量の実験データ

遺伝子

Micro

RIKEN

DDS
DDS

分子から組織まで階層を超えて種々のシミュレーションを駆使し、生命の統合的理解へ目 的：背景と目指す方向（１）背景

ライフサイエンスの研究手法

技術的制約

生命現象のトータルな理解に迫る
新しいアプローチの必要性

ライフサイエンスのシミュレーションに必要な計算量の増大

実験に基づく実証的アプローチでは、遺伝子・タンパク質の役割を個別に解明するにとどまり、生命のトータルな理解が課題。

複雑な生命現象をシミュレーションで再現するためには、現状の計算量をはるかに凌ぐコンピュータが必要

次世代スパコンを用いてライフサイエンスの新しい研究分野の開拓に挑戦（グランドチャレンジ）次世代生命体統合シミュレーション
目指す方向

ペタスケールの次世代スパコンを駆使して、生命現象を統合的に理解するシミュレーションソフトウェアを開発。ライフサイエンス
分野に仮説−検証型アプローチに基づく新たな研究手法を提供。

最終目標●生命プログラムの理解・再現・予測を実現●創薬・ヘルスサイエンスへの貢献、新規医療技術の実用化
２９目 的：背景と目指す方向（２）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経路と法則に迫る実験的アプローチにより、異なるスケールの研究とデータ解析を統合的かつ有機的に進め、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結びつけるためのソフトウェアを開発する。

分子スケール

解析的アプローチ

細胞スケール

実験データから解析へのアプローチ

ペタスケール・シミュレーション

データ解析融合
全身臓器スケール

基礎原理（方程式）○生命現象の統合的な理解（＝生命プログラムの再現）

ライフサイエンスの新たな手段の提供○医薬品・医療機器、診断・治療方法の開発 （＝創薬や新規医療技術への実用化）

大規模データ３０

生命体統合シミュレーションソフトウェアの開発体制
独立行政法人理化学研究所

次世代生命体統合シミュレーション開発拠点

和光研究所（次世代計算科学研究開発プログラム）

本所・各研究所

アドバイザリー委員会

・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

ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑﾃﾞｨﾚｸﾀｰ 茅 幸二
運営委員会 委員長 茅幸二
副ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑﾃﾞｨﾚｸﾀｰ

姫野龍太郎

コーディネーター

高田 俊和

次世代生命体統合ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ研究推進ｸﾞﾙｰﾌﾟ
GD 梶谷 文彦
密接な連携

（１）分子スケール研究開発チーム
TL 木寺 詔紀（２）細胞スケール研究開発チーム
TL 横田 秀夫
（３）臓器全身スケール研究開発チーム
TL 高木 周（４）データ解析融合研究開発チーム
TL 宮野 悟密接な連携

（５）生命体基盤ソフトウェア開発・高度化チーム
TL 泰地 真弘人 （設置準備中）
企画調整ｸﾞﾙｰﾌﾟ GD 中津 健之

分担研究

分子スケールＷＧ
横浜市大・木寺詔紀、京都大・高田彰二、東大・佐藤文俊、京大・林重彦、阪大・中村春木

細胞スケールＷＧ
慶応・末松誠、理研・横田秀夫、安達泰治、阪大・倉智嘉久、神戸大・清野進、慶応・安井正人、柳川弘志、東海大・後藤信哉

臓器全身スケールＷＧ

データ解析融合ＷＧ

東大・松本洋一郎、大島まり、久田俊明、理研・姫野龍太郎、高木周、東北大・山口隆美、北陸先端
大・松澤照男、阪大・野村泰伸、
和田成生、千葉大・劉浩、広島大・岡澤重信、京大・野間昭典

東大・宮野悟、統数研・
樋口知之、東工大・秋山
泰、理研・鎌谷直之

具体的な達成目標

３１

分子スケール・具体的（定量的）な達成目標●〜平成２２年度
量子化学計算・分子動力学計算・粗視化モデル計算を総合化する技術を開発する。
●〜平成２４年度
作成した分子シミュレーションを次世代スパコンに実装し、薬剤設計に関わる計算科学技術手法を提供するとともに、タンパク質や細胞の機能発現過程のシミュレーションを構築して細胞スケールとの有機的な連携を図る。
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★数万原子レベルで、ミリ秒オーダーの分子シミュレーションを目指す。これにより、薬剤設計の基盤となる計算科学的手法の構築につなげる。
３２

細胞スケール・具体的（定量的）な達成目標●〜平成２２年度
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。
●〜平成２４年度
プラットフォームを次世代スパコンに実装すると共に、収集した各種実証データやモデルを組み込む。これにより、細胞局所レベルの実証データと分子集合レベルのデータの照合を実現。
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。

★ペタフロップス級の計算力を活かして細胞を１０万のボクセルに区画し、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。

３３

臓器全身スケール・具体的（定量的）な達成目標●〜平成２２年度
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する。
●〜平成２４年度
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し、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を構築する。
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★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。

３４データ解析融合・具体的（定量的）な達成目標●〜平成２２年度
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行う。
●〜平成２４年度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。遺伝情報の網羅的解析に基づく創薬ターゲット探索の確立を目指す。
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

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

データ新仮説（癌などの病気に関わるモデル）（関連たんぱく質の時系列データ）

データエラーの発見★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（現行、全遺伝子の数％レベル）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。

３５

期待される成果
薬剤・保健食品等の開発、医療に貢献するシミュレーションの構築例）薬剤開発分子スケール
物質の設計

細胞スケール
薬剤反応（作用・副作用）ペタスケール・シミュレーション
データ解析融合

全身臓器スケール
薬剤伝播、治療標的予測、

○薬剤設計
○薬剤反応
○薬剤伝播
○個人差を考慮した投薬設定

遺伝子ネットワークの推定、遺伝情報を考慮した医療基盤情報技術３６

具体的な科学技術的な課題●計算量に見合うモデルの確立⇒ペタフロップス級の計算を実現するための（高並列化に対応した）プログ
ラム開発が不可欠。
●シミュレーションを補強する実験研究との連携⇒細胞の代謝過程を記述する統一的な方程式がなく、実験的な観察と計測結果に基づいてモデル開発を行うこと（実験研究との連携）が不可欠。
●シミュレーション手法の連携・融合⇒より複雑な生命現象を解析するため、シミュレーションの連携・融合が不可欠。
●解析技術の向上に伴う実験データ膨大化への対応⇒膨大な遺伝子データを高速に解析し、データ単独・シミュレーション単独からは得られない、データ駆動型の計算手法の確立が不可欠。
３７

研究開発スケジュール（１）
テーマ
18 年度
(1)分子スケールに関する研究開発
達成目標
酵素反応、構造変化、分子間相互作用、構造形成、超分子複合体の運動等のシミュレーシ
ョンをするための課題を明らかにし、実施体制を確立する(2)細胞スケールに関する研究開発
達成目標
場（細胞分画の代謝情報、細胞膜を介した水・電解質移動等）考慮した統合シミュレーションに向けたフォーマットの検討(3)臓器全身スケールに関する研究開発
達成目標
2mm 刻み，全身ボクセ
ルデータの構築。
個人別，臓器・全身シミュ レータ の構築に 向け，研究課題の抽出と役割分担(4)データ解析融合に関する研究開発
達成目標
既存ソフトの改良により、疾患や薬物反応性などの個人表現型と配列情報を関連。
データ同化によるパラメータ推定技術の開発着手。

19 年度

20 年度

21 年度

22 年度

23 年度

24 年度

既存ソフトの改良によって、酵素反応、構造変化、分子間相互作用、構造形成、超分子複合体の運動等のシミュレーションを、より大きくより長時間の現象へ拡張する

既存ソフトの改良の継続．酵素反応、構造変化、分子間相互作用、構造形成、超分子複合体の運動等のシミュレーションにおいて、より大きくより長時間の現象へ拡張する

新規ソフトウェアの開発により、高速計算を可能とし、新規方法論とあわせて、複合体形成過程、超分子複合体の動態などの巨大・長時間現象の過程のシミュレーションを行う

新規ソフトウェアの開発の継続．各種生物学的課題に関わるシミュ
レーションにおいて、解析から予測・モデリン
グ・デザインなどの応用へ展開する

新規ソフトウェアのテスト・改良．量子化学・分子動力学・粗視化モデルの 3 つの階層を接続する方法論を確立し、その方法論をソフトウェアに組み込み、生物学の多様な課題に適用する開発されたスーパーコンピュータ上での実行テスト・改良とその応用によって、各種生物学的課題において、解析・予測からさらに制御にむけた研究に発展させる

場を考慮したシミュレーションに向けたフォーマットの開発、シミュレータの拡張細胞モデラに関する研究、分化細胞（赤血球細胞等）シミュレータの開発

オルガネラ追加モデ
ルの構築、複数シミュレーション連携、疾患時のシミュレーション開発

複数シミュレーション連 複数システムシミュレ
携の研究、多細胞モデ ーション連携に関するル、オルガネラ追加モ 研究、改良と高速化
デル、肝細胞１細胞シミュレーション等

統合プラットフォームの開発、開発された最先端・高性能汎用スーパーコンピュータ上での実行テスト・改良

1mm 刻みボクセルデータの構築とその高度化，血液循環系の低次元モデルの構築，ボクセルデータ用，固体流体連成および超音波伝播シミュレーション手法の開発．

高解像度ボクセルデー
タの構築とその自動化および高度化．血液循環系の高次モデルの構築，ボクセルデータ用，固体-流体連成および超音波伝播シミュ
レーション，肺循環系のマルチスケールボク
セル計算

高解像度ボクセルデータの構築とその自動化および高度化．
血液循環系の高次モデルの構築，ボクセ
ルデータ用，固体-流体連成および超音波
伝播シミ ュ レー ション，肺循環系のマル
チスケールボクセル
計算

リアルタイム診断・治療支援用，超音波伝播シミュレータ，全身筋骨格系シミュレータ，メゾス
ケール血流循環、全呼吸器系シミュレータ等
開発着手，心筋細胞からの心臓完全シミュレ
ータの構築

リアルタイム診断・治療支援用，超音波伝播シミュレーション，
全身筋骨格系シミュレ
ータ，肺循環・血流循
環の統合と呼吸器系疾患のシミュレーショ
ン，心臓完全シミュレーション，

個人別ボクセルデー
タに基づいた最先端・高性能汎用スーパーコンピュータ上での人体シミュレーション実
行テスト・改良 （病態のシミュレーションと医療支援シミュレータとしての利用）「個」を対象として、ゲノム多型と表現型解析のアルゴリズムの設計・検討、中規模人工データ、実データによる妥当性の検証。
「一般」を対象として、ネットワーク推定とデータ同化技術の検討・開発及び、中規模データによる、妥当性の検証。

「個」を対象として、ペタフロップス級に向けた、ゲノム多型と表現型解析のアルゴリズムの最適化、実データによる妥当性の検証。
「一般」を対象として、ペタフロップス級に向けた、ネットワーク推定とデータ同化技術の開発・強化.。
実データによる妥当性の検証。

「個」を対象として、ペタフロップス級コンピュータを用いた、大規模ゲノム多型と表現型解析アルゴリズムの実行、問題点の発見と解決。
「一般」を対象として、ペタフロップス級コンピュータを用いた、ネットワーク推定・応用と、生命システムデータ同化技術の確立。

「個」と「一般」を融合し、創薬ターゲット探索および個人差を考慮した医療のための基盤情報技術の 創出。

３８

研究開発スケジュール（２）
平成１８〜２０年度：シミュレーションの構築
分子スケール細胞スケール

臓器全身スケール

データ解析融合
インフォマティクス○：個別のシミュレーション

分子／細胞／臓器／データ解析 個別のシミュレーションの計算量・解析力を向上させるとともに、各階層内でシミュレーションの連携を実施。

平成２１〜２２年度：シミュレーションの強化
分子スケール細胞スケール

臓器全身スケール

データ解析融合
インフォマティクス

各シミュレーションをペタＦＬＯＰＳ級に近づけるとともに、スケール内のシミュレーションを充実、スケール間の連携を視野に。

平成２３〜２４年度：次世代生命体統合シミュレーションの実現
解析的アプローチ

実験データから解析へのアプローチ○生命現象の統合的な理解（＝生命プログラムの理解・予測・再現）

分子スケール細胞スケール

全身臓器スケール

ペタスケール・シミュレーション
データ解析融合
インフォマティクス

基礎原理（方程式） 大規模データ○医薬品・医療機器、診断・治療方法のライフサイエン開発 （＝創薬や新スの新たな手規医療技術への実段の提供（予用化）
測をベースとしたサイエンス）

次世代スパコンにシミュレーションソフトウェアを実装し、ペタＦＬＯＰＳ級のシミュレーションを行う。
各シミュレーションを統合的かつ有機的に結びつけ、次世代生命体統合シミュレーションの実現につなげる。

３９

平成１８年度の進捗状況「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」についての、当初計画に対する研究開発の進捗状況（平成18年度の進捗状況等）後年度のシミュレーションソフトウェア開発の準備期間と位置づけ、各スケールのソフトウェアの研究開発に向けた課題抽出を実施。また、今後の研究開発に必須な大型計算機の整備も実施。

（１）分子スケールに関する研究開発
平成１８年度は各種分子動力学・量子化学計算シミュレーションソフトウェアの並列性能・計算時間・計算モデルの現状の限界等を調べ、平成１９年度以降の改良や開発計画を立案。
（２）細胞スケールに関する研究開発
平成１８年度はシミュレーションに必要な機能を洗い出し、実験精度と今後の発展性を考慮した、ソフトウェアの設計について検討。
（３）臓器全身スケールに関する研究開発
平成１８年度は、利用できる数種のソフトウェアをベースに、現状の性能を分析し、並列性能や高速化の改良計画を立案。
（４）データ解析融合に関する研究開発
平成１８年度は、現在利用可能なこの分野のソフトウェアの性能の性能分析を行い、来年度からのソフトウェア開発の設計に向けて検討。
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