Analysis of the function of a large-scale supra-biomolecule system by molecular dynamics simulation system, SCUBA (Simulation Codes for hUge Biomolecular Assembly)

分子動力学シミュレーションシステムSCUBA(Simulation Codes of hUge Biomolecule Assembly)を用いた大規模生体超分子系の機能解析

石田 恒; 由良 敬; 叶野 琢磨; 松本 淳

Ishida, Hisashi; Yura, Kei; Kano, Takuma; Matsumoto, Atsushi

地球シミュレータは従来にはない大規模生体超分子系の分子動力学シミュレーションを可能とする計算能力を持つ。われわれは生体超分子系を扱う大規模な分子動力学シミュレーションシステムSCUBAを開発している。SCUBAは、地球シミュレータ360プロセッサ使用時でベクトル化率95%以上,並列化効率50%以上の優れた性能を達成している。本年度はSCUBAが必要とするメモリ使用量を最適化するためのチューニングをすることにより、百万原子以上からなる生体超分子の分子動力学シミュレーションを地球シミュレータ上で実行可能とした。さらに、マルチ時間ステップ法を装備することにより長時間シミュレーションを実行可能とした。そして、約200万原子からなるリボソーム(遺伝情報を翻訳する生体超分子)と新生ポリペプチドの複合体の系について分子動力学シミュレーションを実行した。結果、リボソームの機能に重要と考えられているねじれ運動を再現することに成功した。

The Earth Simulator has the highest power ever achieved to perform molecular dynamics simulation of large-scale supra-molecular systems. We are developing a molecular dynamics simulation system, called SCUBA, which is designed to run a system composed of more than a million particles efficiently on parallel computers. This fisical year, the arrays used in the program of SCUBA were intensively optimized to reduce the amount of memory use. This optimization enabled SCUBA to perform molecular dynamics simulations of large-scale supra-molecular systems comprised of more than a million atoms on the Earth Simulator. Moreover, the Martyna-Klein-Tuckerman algorithm was extended to utilize the multiple time step method, which increases the time step length significantly. Then, in order to elucidate the dynamics of the 70S ribosome, molecular dynamics simulation of the 70S ribosome including its explicit solvent, a system which is composed of about two million atoms, has been performed using SCUBA. A model of a nascent polypeptide was included in the system to investigate how the nascent polypeptide passes through the exit tunnel within the large subunit of the 70S ribosome. The ratchet-like motion of the 70S ribosome, which is thought to be important for the genetic translation, was successfully observed.