GENESIS

1. プログラム名

GENESIS

2. 開発責任者

杉田有治 (理化学研究所主任研究員)

3. 主な開発者

Jaewoon Jung（理化学研究所計算科学研究機構）
森貴治（理化学研究所杉田理論分子科学研究室）

4. 内容

概要

全原子モデルによる超並列分子動力学計算を行うspdynと、レプリカ交換法などの拡張アンサンブル計算、全原子、粗視化モデル計算を行うatdynの二つのプログラムにより、細胞規模のシミュレーションから、生体内反応の自由エネルギー計算まで幅広い研究に対応できる。

詳細

生体分子シミュレーションは、実験では観測不可能な実際のタンパク質や生体内分子の動きをとらえることができる手法として、近年広く行われている。更に、「京」コンピュータなどの超並列計算機の出現により、従来の計算では不可能であった時間的、空間的規模の計算を行うことが期待されている。我々は現在まで様々なアプローチから、時間的空間的規模を広げる計算手法を提案しており、これらは、大まかには、3つの手法に分けることができる。1) 分子動力学法における並列手法を高度化させる事により長時間計算を可能とする手法[1]。2) レプリカ交換法などの拡張アンサンブル法を用い、タンパク質や生体内分子の構造変化を効率的にサンプリングする手法[2-4]。3) マルチレゾリューション計算により、より広い空間・時間的規模の計算を行う手法。GENESISは、我々が開発したこれらの手法を取り込んだ分子動力学計算プログラムである。1)の超並列化計算を可能としたspdynと、2), 3)の手法を可能としたatdynという、二つの分子動力学法プログラムを持つ。これらのプログラムから、細胞規模のシミュレーションから、生体内反応の自由エネルギー計算まで幅広い研究に適用が可能となっている。また更に、解析用プログラムも付属しており、計算したトラジェクトリから、構造変化の様相を探ることも可能である。

5. どんなことができるか

細胞内環境を模した分子混雑環境下での全原子モデルによるシミュレーション。タンパク質の安定性や運動の変化などを解析し、分子混雑環境がどの様にタンパク質の機能に影響を与えるのかを解析できる。
イオンポンプなど、構造変化が生体機能に重要な役割を与えるタンパク質における自由エネルギー計算、反応と共役した構造変化の様相の解析を可能とする。

6. 関係論文

[1] J. Jung, T. Mori, and Y. Sugita., “Efficient Lookup Table Using a Linear Function of Inverse Distance Squared.” J. Comput. Chem., 34(28):2412–2420, 2013. [Pubmed]

[2] Y. Sugita and Y. Okamoto., “Replica-exchange molecular dynamics method for protein folding.”,Chem.Phys. Lett., 314(1–2):141–151, 1999. [Publisher]

[3] Y. Sugita, A. Kitao, and Y. Okamoto., “Multidimensional replica-exchange method for free-energy calculations.”,J. Chem. Phys., 113(15):6042–6051, 2000. [PDF]

[4] T. Mori, J. Jung, and Y. Sugita., “Surface-tension replica-exchange molecular dynamics method for enhanced sampling of biological membrane systems.”,J. Chem. Theo. Comput., 9(12): 5629-5640, 2013, [Publisher]

[5] J. Jung, T. Mori, C. Kobayashi, Y. Matsunaga, T. Yoda, M. Feig, and Y. Sugita., “GENESIS: a hybrid-parallel and multi-scale molecular dynamics simulator with enhanced sampling algorithms for biomolecular and cellular simulations”, WIREs Comput. Mol. Sci., DOI: 10.1002/wcms.1220 [Publisher]

7. チュートリアル資料

GENESIS manual (2014)

8. 関連する教科書

9. マニュアル

GENESISのホームページを参照してください。

10. 処理の手順

GENESISは、2つの分子動力学法プログラムspdyn, atdynと、いくつかの解析用プログラムを持ち、その処理内容は異なる。入力ファイルのフォーマットなど処理の手順は、マニュアルに詳細に記載されており、更に実践的な計算例を記したチュートリアルも付属している。

11. ソフトウエアのダウンロード

GENESISのホームページを参照してください。

(1)スーパーコンピュータ「京」での実行

スーパーコンピュータ「京」での実行環境も整えてあり、公開ソフトとしてインストール予定である。

(2)SCLS計算機システムで実行するソフトウエア

SCLS計算機システムでの実行環境も整えている。

12. 著作権および使用許諾権(ライセンス)

GENESIS is distributed under the GNU General Public License version 2. Copyright ©2013-2014 RIKEN. GENESIS is free software; you can redistribute it and/or modify it under the terms of the GNU General Public License as published by the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or (at your option) any later version. GENESIS is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the GNU General Public License for more details. You should have received a copy of the GNU General Public License along with GENESIS – see the file COPYING. If not, write to the Free Software Foundation, Inc., 59 Temple< Place – Suite 330, Boston, MA 02111-1307, USA.