空間パターン情報の並列処理による蛋白質機能解析

通过空间模式信息并行处理进行蛋白质功能分析

基本信息

批准号：
13224065
负责人：
大川剛直
金额：
--
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas (C)
财政年份：
2001
资助国家：
日本
起止时间：
2001 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

蛋白質の分子表面の形状や物性とその機能の間には密接な関連がある。このため、蛋白質の機能解析において、類似した表面を持つ他蛋白質の構造や機能の参照は極めて重要な役割を果たす。そこで本年度は、蛋白質分子表面を3次元上の空間パターンとしてとらえ、空間パターン間の類似性を高速かつ高精度に評価するための並列計算に適した手法について検討した。本手法は、初期位置合わせフェーズと局所探索フェーズの2つのフェーズから構成される。最初のフェーズでは、分子表面の突起や窪みにおける法線ベクトルを求め、比較対象となる2つの分子表面からそれぞれ2つのベクトル(ベクトルペア)を抽出し、相対位置関係が類似したものだけを位置合わせに用いる。ベクトルペアを基準にして表面を重ね合わせる処理は、各ベクトルペアの組み合わせに対して独立に実行することができる。そこで、この重ね合わせ処理の独立性に着目して並列化を図ることにより、並列度の高い位置合わせを実現した。近傍探索フェーズでは、初期位置合わせフェーズの結果、類似度が高い位置合わせを出発点として近傍を探索し、より厳密に表面全体を重ね合わせる。近傍探索は、微小平行移動と微小回転移動の組み合わせとして得られる702の方向に対して行う。それぞれの方向に対しての探索を1つのジョブとすることにより、並列化を図った。以上の方式を、20CPUから成るPCクラスタ上に実装し、抗体蛋白質のマッチング問題に適用した結果、精度の高い位置合わせが実現された。また、スレーブCPUの増加に応じて、ほぼ線形に性能向上が見られ、高い並列性を有していることが確認された。

蛋白质分子表面的形状和物理性质与其功能有着密切的关系。因此，在蛋白质功能分析中，参考具有相似表面的其他蛋白质的结构和功能起着极其重要的作用。因此，今年，我们将蛋白质分子表面视为三维空间图案，并研究了一种适合并行计算的方法，以快速准确地评估空间图案之间的相似性。该方法由两个阶段组成：初始对齐阶段和局部搜索阶段。在第一阶段，确定分子表面上的凸起和凹陷的法向向量，从要比较的两个分子表面中的每一个中提取两个向量（向量对），并且仅使用相对位置相似的向量。为了基于向量对的重叠表面的过程可以针对每个向量对组合独立地执行。因此，通过关注这种叠加处理的独立性并将其并行化，我们实现了高度并行的定位。在邻域搜索阶段，作为初始对齐阶段的结果，使用具有高相似性的对齐作为起点来搜索邻域，并且整个表面更精确地重叠。针对作为微小平移运动和微小旋转运动的组合而获得的702个方向执行邻域搜索。并行化是通过使每个方向的搜索成为一项工作来实现的。在由20个CPU组成的PC集群上实施上述方法并将其应用于抗体蛋白匹配问题，结果实现了高精度的比对。此外，随着从CPU数量的增加，性能几乎呈线性提升，证实了其具有高并行性。