3/13 Supercomputing Japan 2024

材料設計・創薬・製剤分野における「J-OCTA」とHPCの活用
株式会社JSOL
エンジニアリング事業本部
奥脇 弘次

会社紹介

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社員数1200人（計算科学分野200人）
20以上のシミュレーション/CAEソフトウェア
ミクロからマクロまで、幅広いソリューション

構造設計・生産プロセス

材料・生命科学

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電磁場

OCTA と J-OCTA

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ソフトマターのためのマルチスケールシミュレーション・プラットフォーム

2002年リリース
NEDOの国家プロジェクトで開発
オープンソース（無料）
エンジン(ソルバー), AI, 簡易GUI,Python Scriptによるデータ操作
現在の配布元＝産総研

2005年～
JSOL(日本総研)が開発
OCTAの商用版
OCTA エンジン(ソルバー)のモデリング機能
様々なOSSソルバーとのI/F
国内外100社以上の導入実績≒4000人※ユーザー会講演者・論文執筆者
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J-OCTAのターゲットソフトマター
樹脂（プラスチック）
ゴム・エラストマー
生体分子・生体膜
合成繊維
薄膜・フィルム
塗料・インク
接着・粘着剤
燃料電池・二次電池
洗剤・化粧品
液晶表示素子無機/有機界面
etc…
ハードマター金属
セラミックス etc…
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無機結晶

タンパク質

液晶分子

原子・分子（nm）

高分子鎖 (10nm)

相分離(100nm)

塗装表面(μm)

シミュレーションエンジン
Å nm

(ps)

10nm

51μm

100nm

(～μs)

(～ms)

VSOP-PS,KAPSEL

原子～マクロスケールまでスケール間の連携が特徴
各種HPCIへの計算投入も可MPS, SPM
コロイド分散系、ミクロ流体、製剤打錠

MUFFIN, (LS-DYNA)
SUSHI

連続体、有限要素法
熱・機械特性, etc.

平均場法(SCF, RPA)
相分離, DPDも適用可能

PASTA, NAPLES, VSOP
レプテーション （Slip-link, Primitive Chain Network）
粘弾性

COGNAC, VSOP, GENESIS,(LAMMPS, GROMACS, HOOMD)
分子動力学（全原子 & 粗視化）, DPD
分子構造, 親和性/溶解性, 熱・機械特性, 拡散, etc.

SIESTA, ABINIT-MP, (Firefly, Gaussian, MOPAC)
量子力学（QM）（密度汎関数法, 分子軌道法）
電子状態, 相互作用, 分極, 反応, etc.
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J-OCTA 材料設計でのHPC活用事例

スラリー塗工プロセス (「京」の活用)

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微粒子と高分子を溶媒に混ぜたスラリーから溶媒を蒸発 -> 多孔質材料を得るプロセス
燃料電池やLiイオンの電極作成で活用
ー＞ 溶媒蒸発過程までを露わに扱う粗視化分子動力学を実施

モデル 粗視化）
Gree: Particle
Red: Polymer
Blue: Solvent

微粒子高分子溶媒

以下を変えた際の構造への影響を検討
・分子間相互作用・ポリマーの剛直性
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スラリー塗工プロセス (「京」活用)

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粗視化MD結果 (Large-scale model)(J-OCTA/VSOP)- 蒸発プロセスシミュレーション (400万粗視化粒子)

InitialFinal

Confirmed that the slurry coating process can be simulated
from molecular level

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フィラー充填ゴムの繰返し引張変形シミュレーション

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凝集構造、分散構造を意図的に作成し、大規模計算 (COGNAC/VSOP)
伸長による応力の変化を2サイクル解析（：）（1回目, 2回目ともに実験と傾向が一致
2回目はヒステリシスロス(粘弾性体の変形で生じる応力)が生じない結果

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）

フィラー充填ゴムの繰返し引張変形シミュレーション
Mechanism of hysteresis

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10耐摩耗性ゴムのシミュレーション

11粗視化モデルでの計算- フィラー分散状態の再現 (空間スケール)- ゴム状態のシミュレーション (時間スケール)
システムサイズ = 350nm, 1.4億 CG 粒子, J-OCTA/VSOP, 「京」の利用
ゴム中でのフィラー配置を三次元透過型電子顕微鏡(TEM)で取得再現するように1次粒子を配置(Reverse Monte carlo)
伸長させ緩和 -> フィラー界面の破壊挙動を観察
28,000コアで9.01×104 τ /1か月 (1μ秒に相当）

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https://www.srigroup.co.jp/english/newsrelease/2015/2015_130.html
https://www.jstage.jst.go.jp/article/gomu/89/6/89_176/_pdf/-char/ja粗視化パラメータ算定でのHPCI活用 (Capacity Computing)
FMO (量子化学)
パラメータ算定

DPD（粗視化・相分離計算)

リバースマップ（全原子化）FMO
Calculation

Parametrization
𝑍∆𝐸𝑆
𝝌=𝑅𝑇

FMOによる統計解析■ FMO-DPDシステム
立教大学 望月先生
大量(数十万)の小分子計算から相互作用パラメータを決定「京」-> 「富岳」を活用して構築
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長周期構造の解析
K. Okuwaki, Jpn. J. Appl. Phys. 62, 110902 (2023).

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創薬・製剤simの富岳活用

GENESISモデラ

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分子動力学ソフトGENESIS[1][2] (理化学研究所 杉田先生) 活用のためのモデラ
創薬を中心に、ライフサイエンス全般に利用できる機能開発
 結合親和性評価のための自由エネルギー計算
 拡張アンサンブルを用いたタンパク質-化合物の構造探索
 電子状態計算による分子間相互作用の評価 (FMO)
第6回日本オープンイノベーション大賞

文部科学大臣賞受賞[1]C. Kobayashi, et al., J. Compute. Chem. 38, 2193-2206 (2017).
[2]J. Jung, et al., WIREs Comput. Mol. Sci., 5, 310-323 (2015).
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製剤への展開
脂質/ポリマー、薬物の運動性、分散評価
FMO創薬コンソーシアムとの連携 (大阪大学 福澤先生, 星薬科大学 米持先生ら)「富岳」を活用した応用計算
粗視化分子動力学や散逸粒子動力学(DPD)の活用- 核酸医薬キャリアとしてのリポソーム、脂質ナノ粒子(LNP)の物性解析- 可溶化技術（アモルファス固体分散体、ミセル化）- 結晶多型の安定性評価

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16理研主催の富岳利用コンソーシアム

プロジェクト参加者にJ-OCTAの富岳活用をサポート
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