素粒子物理研究部門 助教(任期付)公募(締切5月31日)

公募人員: 助教(任期付) 1名

所属組織:計算科学研究センター(素粒子物理研究部門)

専門分野:科学研究費補助金・基盤研究 (A)「テンソルネットワーク法が拓く計算素粒子物理学の新たな展開」(代表:藏増嘉伸)に関する理論研究に従事する。代表者との連携のもと,テンソルネットワーク法を用いた格子上の場の理論の数値的研究を推進する。格子上の場の理論の専門的知見を有し,関連する数値計算の経験があることが望ましい。

着任時期: 決定後できるだけ早い時期(応相談)

任期:年度更新,最長2028年3月31日まで

給与: 年俸制(給与等雇用条件は本学の規定による)。候補者の職務経験等を加味し,本学規程に基づいて号俸を決定。

応募資格: 博士の学位を有する方もしくは着任時期までに取得見込の方

提出書類

1)履歴書(写真貼付)

2)全業績リスト(外部資金の獲得状況を含む,査読論文とその他を区別すること)

3)主要論文別刷5編(うち4編以上は最近5年以内のもの)

4)これまでの研究の概要(最大2000字程度)

5)着任後の研究に関する抱負(最大2000字程度)

6)本人についての意見を求め得る方2名の氏名及び連絡先,もしくは推薦書2通

7)特定類型自己申告書(本学所定様式 https://www.ccs.tsukuba.ac.jp/reqdocuments/)

8)EU―般データ保護規則(GDPR)に基づく個人データの取扱い及び域外移転に関する同意書(※欧州経済領域の構成国及び英国在住者のみ必ず提出,本学所定様式 https://www.ccs.tsukuba.ac.jp/reqdocuments/)

 

選考方法: 提出書類に基づいた書面選考を実施し,通過者は日本語または英語でオンライン面接を行います。

応募締切: 2024年5月31日(金)23:59(JST)必着

応募方法: 提出書類の1)−8)を一つのPDFファイルにまとめてパスワードをかけ,電子メールの添付ファイルとして,下記のアドレス
   application-pp[at]ccs.tsukuba.ac.jp([at]を@に置き換える)
にお送りください。PDFファイルのパスワードは,別途下記のアドレス
   kuramasi[at]het.ph.tsukuba.ac.jp([at]を@に置き換える)
にお送りください。ファイルサイズの合計が10MBを超える場合は,問い合わせ先に連絡してください。メールの件名は,「素粒子物理研究部門応募書類」としてください。メール送信後,2日以内に受領確認のメールが届かない場合は,問い合わせ先に連絡してください。

推薦書は,作成者が下記のアドレス
   application-pp[at]ccs.tsukuba.ac.jp([at]を@に置き換える)
に直接電子メールの添付ファイルとして送付してください。メールの件名は,「〇〇氏推薦書」または「Letter-〇〇」(〇〇は応募者の氏名)としてください。

問合せ先:筑波大学計算科学研究センター素粒子物理研究部門主任 藏増嘉伸 

Tel: 029-853-4469

Email: kuramasi[at]het.ph.tsukuba.ac.jp([at]を@に置き換える)

その他: 

  1. 応募書類に含まれる個人情報は,本人事選考のみに使用し,他の目的には一切使用しません。選考終了後はすべての個人情報を適切に破棄します。
  2. 計算科学研究センターは,文部科学省共同利用・共同研究拠点に認定されており,計算機共同利用を含む学際計算科学を推進しています。筑波大学では男女雇用機会均等法を遵守した人事選考を行っています。
  3. 本学では,「外国為替及び外国貿易法」に基づき,「国立大学法人筑波大学安全保障輸出管理規則」を定め,外国人,外国の大学・企業・政府機関等出身者又は特定類型該当者の雇用に際し厳格な審査を実施しています。

2024年度 一般公開:スーパーコンピュータ「Cygnus」を見に行こう!

2024年度計算科学研究センター一般公開を、2024年4月21日(日)に開催いたします。

2019年4月に運用を開始したスーパーコンピュータ「Cygnus」 を見学できます。また、スーパーコンピュータを使った宇宙の研究についての講演を行います。

予約等は不要です。直接会場までお越しください。

【講演】「コンピュータ上でタンパク質や生体分子を操る」

計算科学研究センター ワークショップ室 (14:00-14:30)
話し手:堀優太 先生

【施設見学】

計算科学研究センター 計算機室 (13:00-16:00):

スーパーコンピュータCygnusを間近でご覧いただけます!

計算科学研究センター 1F 展示フロア (13:00-16:00):

歴代のスーパーコンピュータやスーパーコンピュータOakforest-PACSのノードを展示しています。

日 程:2024年4月21日(日)

場 所:筑波大学計算科学研究センター 交通アクセス

参加費:無料。団体見学可(事前にご連絡ください)。

お問合せ:pr [at] ccs.tsukuba.ac.jp (@を[at]と表示しています)

関連リンク:
筑波大学科学技術週間キッズユニバーシティ

4月21日、筑波大学では計算科学研究センター以外でも、特別授業や科学実験をはじめ、さまざまなイベントを開催します。「一日筑波大生」になって、科学の面白さと大学の魅力を体感しよう!

2024年4月
一般公開実施担当者一同

【受賞】原田准教授がUBE学術振興財団第64回学術奨励賞を受賞

生命科学研究部門の原田隆平准教授が、公益財団法人UBE学術振興財団の第64回学術奨励賞を受賞しました。

受賞研究課題は、「疾患原因となる分子間相互作用を特定する異常検知システムの開発(医学)」です。 

関連リンク:https://www.ube.co.jp/ube_s_zaidan/grants.html#y2023

 

Name of next system determined for JCAHPC

The Joint Center for Advanced High Performance Computing (JCAHPC), which is jointly operated under the collaboration between the Center for Computational Sciences, University of Tsukuba, and the Information Technology Center, the University of Tokyo, has named its new supercomputer system “Miyabi,” which is planned to start its entire operation in January 2025.

See the News article on JCAHPC website for details.

 

 

最先端共同HPC基盤施設における次期システムの名称を決定

筑波大学計算科学研究センターと東京大学情報基盤センターが共同運営する、最先端共同HPC基盤施設(JCAHPC:Joint Center for Advanced High Performance Computing、施設長:朴泰祐)は、2025年1月に稼働を開始する次期スーパーコンピュータシステムの名称を “Miyabi”(みやび)に決定しました。

詳細はJCAHPCのニュース記事をご覧ください。

 

[Cancel] 140th Colloquium of the Center for Computational Sciences

140th Colloquium

*This colloquium has been canceled.

Title: Climate Change Research: Insights from KAUST
Speaker: Prof Ibrahim Hoteit(King Abdullah University of Science and Technology)
Date: 2 April 2024
Time: 13:30-14:15
Venue: Center for Computational Sciences, Workshop Room 
Language: English

*After the invited presentation, the following seminar is scheduled. 

13:30-14:15
Climate Change Research: Insights from KAUST
Prof Ibrahim Hoteit, King Abdullah University of Science and Technology

14:15-14:45
Urban Climate Modeling for urban and district scales: WRF-UCM and City-LES
Prof Hiroyuki Kusaka, University of Tsukuba

14:45-15:15
Urban Extreme Weather and Climate Change
Asst Prof Quang-Van Doan, University of Tsukuba

15:1515:30
General Discussion

【中止】第140回計算科学コロキウムを、4月2日(火)13:30より開催します

*第140回計算科学コロキウムは中止となりました(2024.04.01追記)*

第140回計算科学コロキウムを開催いたします。多数のご来聴をお待ちしております。

講演タイトル:Climate Change Research: Insights from KAUST
講演者: Prof Ibrahim Hoteit(King Abdullah University of Science and Technology)
日時: 2024年4月2日(火) 13:30-14:15
場所: 計算科学研究センター ワークショップ室
言語: English

*計算科学コロキウムに続けて、セミナーが開催されます。
全体のスケジュールは以下の通りです。

13:30-14:15
Climate Change Research: Insights from KAUST
Prof Ibrahim Hoteit, King Abdullah University of Science and Technology

14:15-14:45
Urban Climate Modeling for urban and district scales: WRF-UCM and City-LES
Prof Hiroyuki Kusaka, University of Tsukuba

14:45-15:15
Urban Extreme Weather and Climate Change
Asst Prof Quang-Van Doan, University of Tsukuba

15:1515:30
General Discussion

一般利用の募集

筑波大学計算科学研究センターでは、東京大学情報基盤センターが運用する高性能メニーコアクラスタ Wisteria-O(7,680ノード、A64FX、25.9 PFLOPS)及び筑波大学計算科学研究センターが運用するビッグメモリスーパコンピュータPegasus (120ノード、 SPR、 H100、不揮発性メモリ、 6.5 PFLOPS)とGPU, FPGA 混載型クラスタCygnus (78ノード、 V100、 FPGA、2.3 PFLOPS)の3台のスーパコンピュータについて、各システムの20%(Wisteria-Oについては筑波大割当分の20%)を目安とした計算機資源を、全国共同利用機関として有償の一般利用に供することといたします。
2024年度の一般利用を募集しますので、希望される方は以下の要領でご応募下さい。 

一般利用

Discovery of Primitive Mitochondrial DNA Replication Enzymes

Feb 22, 2024

Researchers led by University of Tsukuba have discovered rdxPolA, a putative DNA polymerase involved in replicating ancestral mitochondrial genomes, in diverse eukaryotic lineages. Based on the phylogenetic distribution of rdxPolA among eukaryotes, they proposed an evolutionary scenario of DNA polymerases for mitochondrial genome maintenance in the early evolution of eukaryotes.


Tsukuba, Japan—Mitochondria are intracellular organelles that evolved from a bacterium belonging to Alpharoteobacteria, which was taken up as an endosymbiont by the common ancestor of eukaryotes. Mitochondria possess their own highly reduced genomes (known as mitochondrial genomes), which are principally the descendants of the genome of the α-proteobacterial symbiont. Phylogenetically diverse eukaryotes use a type of DNA polymerase called “POP” to maintain their mitochondrial genomes.

In this study, the researchers identified 10 novel types of DNA polymerase that are distinct from the previously known types, including POPs, across diverse eukaryotic lineages. The evolutionary origin and subcellular localization of each novel DNA polymerase were investigated. Intriguingly, one of the DNA polymerases identified in this study, rdxPolA, was found to be involved in mitochondrial DNA maintenance and is a direct descendant of the DNA polymerase in the α-proteobacterial symbiont that gave rise to the first mitochondrion. The researchers proposed a scenario for the evolution of DNA polymerases involved in mitochondrial DNA maintenance from primitive to extant eukaryotes.

These findings provide critical insights into the early evolution of the machinery for mitochondrial DNA maintenance and the establishment of mitochondria in primitive eukaryotic cells.

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This research was supported by the Japan Society for Promotion of Sciences projects 18KK0203, 19H03280, 23H02535, and BPI05044 (to Y. Inagaki), 22J11104 (to R. Harada), and 19H03274 (to R. Kamikawa).

Original Paper

Title of original paper:
Encyclopaedia of family A DNA polymerases localized in organelles: Evolutionary contribution of bacteria including the proto-mitochondrion
 
Journal:
Molecular Biology and Evolution
 
DOI:
10.1093/molbev/msae014

Correspondence

Professor INAGAKI Yuji
HARADA Ryo (JSPS Research Fellowship for Young Scientists DC2)
Center for Computational Sciences (CCS), University of Tsukuba

Senior Researcher YABUKI Akinori
Deep-Sea Biodiversity Research Group, Research Institute for Global Change (RIGC), Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC)

Resercher YAZAKI Euki
Research Center for Advanced Analysis, National Agriculture and Food Research Organization

Associate Professor KAMIKAWA Ryoma
Graduate School of Agriculture, Kyoto University

第139回計算科学コロキウムを、3月8日(金)11:00より開催します

第139回計算科学コロキウムを開催いたします。多数のご来聴をお待ちしております。

講演タイトル: 南半球から小惑星をレーダーで観測する
講演者: 堀内真司 博士(NASAキャンベラ深宇宙通信施設・オーストラリア連邦科学産業研究機構(CSIRO))
日時: 2024年3月8日(金) 11:00-12:00
場所: 計算科学研究センター 会議室A
言語: Japanese

要旨:

NASA Deep Space Network (DSN)の1つであるオーストラリアのキャンベラ深宇宙通信施設(Canberra Deep Space Communication Complex、CDSCC)とオーストラリアの電波望遠鏡を活用して2015年に小惑星のレーダー観測を開始し、現在までに30以上もの地球接近小惑星の検出に成功した。小惑星のレーダー観測は、それまでアメリカのGoldstoneやプエルトリコのAreciboなど、主に北半球で行われていた。しかし地球に再接近する小惑星のおよそ5%は南半球からしか観測できないので、ギャップを埋められるようになったことは、小惑星の探査・プラネタリーディフェンス・利用など、多岐にわたる分野で注目されている。講演では、レーダー観測により小惑星の軌道が精度良く決定され、また小惑星の形状や自転、表面物質の素性、表面状態などの情報が得られることを紹介し、またアストロバイオロジーへの応用の可能性についても議論する。

Keywords:  小惑星探査、電波望遠鏡、レーダー観測、NASA深宇宙局

世話人: 庄司光男

 

 

原始的ミトコンドリアDNA複製酵素の発見

2024年2月22日

国立大学法人筑波大学
国立研究開発法人海洋研究開発機構
国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構
国立大学法人京都大学

真核生物の多様な系統から、祖先的なミトコンドリアゲノムの複製に関わるDNAポリメラーゼと考えらえるrdxPolAを発見しました。また、系統樹上でのrdxPolAの分布を検討し、真核生物初期進化から現在に至るまでの、ミトコンドリアゲノム用DNAポリメラーゼの進化シナリオを提案しました。

概要

ミトコンドリアは、祖先真核生物の細胞内に共生した細菌(αプロテオバクテリア)から進化した細胞内小器官です。独自のゲノム(ミトコンドリアゲノム)を持っており、これはαプロテオバクテリア共生体のゲノムが縮退した結果です。真核生物の多くのグループでは、POPと呼ばれるDNA複製酵素(DNAポリメラーゼ)がミトコンドリアゲノムの複製をしています。
 本研究では、真核生物の多様な系統からPOPを含めて既知タイプとは異なる10種類の新奇DNAポリメラーゼを発見しました。これらについて、それぞれの進化的起源と細胞内で機能する場所を詳細に解析した結果、その中の一つ「rdxPolA」がミトコンドリアゲノムの複製を行っており、αプロテオバクテリア共生体が持っていたDNAポリメラーゼの直系の子孫であると判明しました。rdxPolAは祖先的なミトコンドリアゲノムを複製すると考えられ、原始真核生物から、現在地球上に棲息する真核生物に至るまでの、ミトコンドリアゲノム用DNAポリメラーゼの進化シナリオが提案されました。
 本研究成果は、ミトコンドリアのDNA複製機構がどのように進化してきたか、原始真核生物細胞内でミトコンドリアがどのように確立したのかを解明する上で重要な知見を提供します。

本研究で提案したミトコンドリアではたらくDNAポリメラーゼの進化シナリオ。2つの主要なミトコンドリアではたらくDNAポリメラーゼであるrdxPolAとPOPの分布が、真核生物の初期進化の過程でどのように形成されてきたかを模式的に示している。オレンジ、青、黄色の線はそれぞれ、αプロテオバクテリアのrdxPolA、POP、αプロテオバクテリアのDNAポリメラーゼの進化の軌跡を表す。丸印と×印はそれぞれ、DNAポリメラーゼの確立と消失を示す。rdxPolAはミトコンドリアの誕生となったαプロテオバクテリアと真核生物との共生イベントに由来し、POPは真核生物の最後の共通祖先(LECA)との間に獲得された。現存する真核生物の共通祖先であるLECAはrdxPolAとPOPの両方を持っていたが(pre-LECA)、その後の進化において、真核生物の主要グループごとに系統が分岐した後に、それぞれの系統で二次的な消失が起こった。

研究代表者

筑波大学計算科学研究センター
 稲垣 祐司 教授
 原田 亮(日本学術振興会特別研究員DC2)

国立研究開発法人海洋研究開発機構
 矢吹 彬憲 主任研究員

国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構
 矢﨑 裕規 研究員

京都大学大学院農学研究科
 神川 龍馬 准教授

掲載論文

【題名】 
Encyclopaedia of family A DNA polymerases localized in organelles: Evolutionary contribution of bacteria including the proto-mitochondrion.
(オルガネラ局在ファミリーA DNAポリメラーゼ百科:原始ミトコンドリア共生体をふくむ細菌からの進化的貢献について)
 

【掲載誌】

Molecular Biology and Evolution
【DOI】
10.1093/molbev/msae014

 

プレスリリース本文はこちら

 

 

 

令和5年度 年次報告会(2024年3月6日)

日時:2024年3月6日(水) 9:00~18:00
会場:ワークショップ室

計算科学研究センター 令和5年度年次報告会を行います。

プログラム

発表時間は、新任者(*印)は15分、それ以外の方は12分です(質疑応答、交代時間含む)

セッション1 (9:00-10:00 座長:堀江和正 )

9:00 朴センター長あいさつ 
9:01 Kowit Hengphasatporn (生命科学研究部門・生命機能情報分野)
9:13 石塚 成人(素粒子物理研究部門)
9:25 小泉 裕康 (量子物性研究部門)  
9:37 建部 修見(高性能計算システム研究部門)
9:49 吉川 耕司 (宇宙物理研究部門)

休憩 10:00-10:05

セッション2 (10:05-11:11 座長:原田隆平)
10:05 *秋山 進一郎(素粒子物理研究部門)
10:20 堀江 和正 (計算情報学研究部門・データ基盤分野)
10:32 *朝比奈 雄太(宇宙物理研究部門)
10:47 堀 優太 (生命科学研究部門・生命機能情報分野)
10:59 前島 展也(量子物性研究部門)

休憩 11:11-11:16

セッション3 (11:16-12:16 座長:秋山進一郎)
11:16 藏増 嘉伸(素粒子物理研究部門)
11:28 原田 隆平 (生命科学研究部門・生命機能情報分野)
11:40 亀田 能成 (計算情報学研究部門・計算メディア分野)
11:52 サーヴォン・ブー(計算情報学研究部門・データ基盤分野)
12:04 日下 博幸(地球環境研究部門)

昼休憩 12:16-12:36

セッション4 (12:36-13:36 座長:朝比奈雄太)
12:36 重田 育照(生命科学研究部門・生命機能情報分野)
12:48 福島 肇(宇宙物理研究部門)
13:00 Tong Xiao-Min(量子物性研究部門)
13:12 中務 孝(原子核物理研究部門)
13:24 額田 彰(高性能計算システム研究部門)

休憩 13:36-13:41

セッション5 (13:41-14:41 座長:中山卓郎)
13:41 稲垣 祐司(生命科学研究部門・分子進化分野)
13:53 萩原 聡(量子物性研究部門)
14:05 朴 泰祐(高性能計算システム研究部門)
14:17 大野 浩史(素粒子物理研究部門)
14:29 庄司 光男(生命科学研究部門・分子進化分野)

休憩 14:41-14:46

セッション6 (14:46-15:49 座長:松枝未遠)
14:46 ドアン グアン ヴァン(地球環境研究部門)
14:58 *謝 淳(計算情報学研究部門・計算メディア分野)
15:13 大須賀 健(宇宙物理研究部門)
15:25 中山 卓郎(生命科学研究部門・分子進化分野)
15:37 大谷 実(量子物性研究部門)

休憩 15:49-15:54

セッション7(15:54-16:54 座長:謝 淳)
15:54 塩川 浩昭(計算情報学研究部門・データ基盤分野)
16:06 北原 格(計算情報学研究部門・計算メディア分野)
16:18 森 正夫(宇宙物理研究部門)
16:30 佐藤 駿丞(量子物性研究部門)
16:42 藤田 典久(高性能計算システム研究部門)

休憩 16:54-16:59

セッション8(16:59-18:00 座長:藤田典久)
16:59 松枝 未遠(地球環境研究部門)
17:11 清水 則孝(原子核物理研究部門)
17:23 矢島 秀伸(宇宙物理研究部門)
17:35 天笠 俊之(計算情報学研究部門・データ基盤分野)
17:47 矢花 一浩(量子物性研究部門 )

Photosynthetic Mechanism of Purple Sulfur Bacterium Adapted to Low-Calcium Environments

Feb 19, 2024

Purple sulfur bacteria (PSB) convert light energy into chemical energy through photosynthesis. Interestingly, certain species can photosynthesize even in environments with low-calcium levels. Using cryo-electron microscopy, researchers from University of Tsukuba unveiled the structure of light-harvesting complexes and elucidated the mechanism that facilitates photosynthesis under low-calcium conditions.

Tsukuba, Japan—Photosynthetic bacteria, unlike plants, do not generate oxygen as a photosynthetic byproduct because they use hydrogen sulfide instead of water to convert solar energy into chemical energy (electrons). This process is orchestrated by a protein complex, the light-harvesting 1-reaction center (LH1-RC). Numerous PSB thrive in calcium-rich environments, such as hot springs and seawater. In the three-dimensional LH1-RC structure, the LH1 antenna protein is typically associated with calcium. However, the photosynthetic mechanism remains elusive in Allochromatium vinosum, a model species of autotrophic bacteria capable of thriving in low-calcium or soft-water environments, as hypothetically, calcium is not involved in the photosynthetic process in this model.

 

Using cryo-electron microscopy, the researchers revealed the LH1-RC structures of this model species at a resolution that enabled individual amino acid visualization. These observations revealed calcium binding only at six specific sites in the LH1 subunit. In contrast, the closely related thermophilic bacterium Thermochromatium tepidum displayed calcium attachment across all 16 LH1 subunits, indicating a calcium binding dependence on the amino acid sequence pattern. These results imply an evolutionary adaptation in this species, enabling it to bind trace amounts of calcium in low-calcium environments, thereby improving its thermal stability for photosynthesis.

 

These findings would potentially advance the efficient use of solar energy, and contribute to environmental protection, and highlight the capability of certain species to conduct photosynthesis in freshwater while detoxifying hydrogen sulfide, which is toxic to numerous organisms, into sulfur.

 

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This research was partially supported by Platform Project for Supporting Drug Discovery and Life Science Research (Basis for Supporting Innovative Drug Discovery and Life Science Research (BINDS)) from AMED under Grant Numbers JP21am0101118 and JP21am0101116, and JP23ama121004

Original Paper

Title of original paper:
High-Resolution Structure and Biochemical Properties of the LH1-RC Photocomplex from the Model Purple Sulfur Bacterium, Allochromatium vinosum
 
Journal:
Communications Biology
 
DOI:
10.1038/s42003-024-05863-w

カルシウムが少ない環境に最適化した紅色硫黄細菌の光合成機構を解明

2024年2月19日
国立大学法人 筑波大学

紅色硫黄細菌が行う光合成では、光エネルギーを化学エネルギーに変換します。このとき、通常とは異なり、カルシウムが少ない環境でも光合成する種があります。クライオ電子顕微鏡により光を集めるタンパク質の構造を調べ、カルシウムが少なくても光合成ができるメカニズムを明らかにしました。

概要
光合成細菌が行う光合成は、酸素を発生せず、硫化水素を使って太陽光エネルギーを化学エネルギー(電子)に変換します。この役割は、タンパク質複合体であるコア光捕集反応中心複合体(LH1-RC)が担っています。中でも紅色硫黄細菌の多くは、温泉・海中といったカルシウムが豊富な環境に棲息しており、LH1-RCの立体構造では、光捕集に特化したアンテナタンパク質であるLH1にカルシウムが結合しています。しかし、カルシウム含量の少ない軟水や欠乏状態の水中でも増殖できる常温菌のモデル種アロクロマチウム・ビノサムについては、これまで、光合成にカルシウムは関与していないと考えられており、そのメカニズムは謎につつまれていました。
そこで、クライオ電子顕微鏡を用いて、本種由来のLH1-RCをアミノ酸が可視化できるレベルで観察したところ、LH1サブユニットのうち特定の6か所にのみ、カルシウムが結合していました。近縁種の好熱菌サーモクロマチウム・テピダムでは、全てのLH1サブユニット16か所にカルシウムが結合しており、アミノ酸配列のパターンに応じてカルシウムが結合できるかどうかが決まっていることが分かりました。このことから、本種は進化の過程で軟水中の微量カルシウムを結合して光合成を行うようなメカニズムを採用し、熱安定性を向上させていることが示唆されました。

本研究成果は、多くの生物にとって有毒な硫化水素を硫黄へ分解しつつ、淡水中でも光合成を行える種の、高効率な太陽光エネルギー利用への貢献や環境保全への活用が期待されます。

 

研究代表者 

筑波大学 計算科学研究センター
 谷 一寿 教授

研究の背景

光合成細菌は、植物やシアノバクテリアと異なり、光合成時に酸素を発生しないものの、非常に高い効率で太陽光エネルギーを化学エネルギー(電子)へ変換できるように進化してきました。どの光合成細菌も、植物で利用しない近赤外領域の太陽光を利用するという点では同じ特徴を持っていますが、菌の種類ごとに棲息環境が異なり、淡水から海水、温泉まで幅広く、それぞれの環境に最適な光捕集メカニズムを有しています。

酸素非発生型の光合成細菌の光合成は、進化的に古く、酸素発生型である植物の光合成に類似している部分もありますが、効率を重視した独自の進化過程を遂げたことが分かっています。特に硫化水素を使って光合成を行う紅色硫黄細菌注1)のほとんどは、熱安定性のために生育上カルシウムが必要で、温泉や海といったミネラル豊富な水中に棲息しますが、ごく一部の種ではカルシウム含量の少ない軟水にも棲息しています。このような種では、光を電子に変換するタンパク質複合体であるコア光捕集反応中心複合体(LH1-RC)注2)が、独特の進化をしていますが、その立体構造とカルシウムイオンの関係性は不明な部分が多く、カルシウムが要求されない生育環境で、高効率かつ安定的な光合成を行える仕組みは謎に包まれていました。

今後の展開

本研究で行った、常温菌である紅色硫黄細菌と好熱菌のLH1-RCの比較結果から、紅色硫黄細菌の高温耐性へ向けた遺伝子改変・導入を行うことで、その生物工学的な利用における効率・安定性が向上すると考えられます。また、硫化水素を含む排水処理といった環境保全にまで広く活用できると期待されます。

参考図

図1 クライオ電子顕微鏡により可視化されたアロクロマチウム・ビノサム(A. vinosum)のコア光捕集反応中心複合体(LH1-RC)の立体構造。
図2 LH1α鎖、β鎖のアイソフォーム注5)配置とカルシウム結合位置 常温菌のアロクロマチウム・ビノサム(A. vinosum)と、近縁種である好熱菌のサーモクロマチウム・テピダム(T. tepidum)由来のLH1サブユニット(α:緑、橙、マゼンタ、β:青、黒)の比較。
図3 LH1α鎖のカルボキシル末端側構造 カルシウムイオン(黄球)が結合したLH1α鎖(緑)。熱安定性が低いものほどカルボキシル末端側が熱揺らぎのため可視化できない。

用語解説

注1)紅色硫黄細菌
光合成細菌の仲間で、含まれるカロテノイドの種類により赤、褐色などに見える。ほとんどが嫌気性で硫黄泉、湖などの硫化水素が溜まった酸素のない環境を好んで棲息している。植物などとは異なり、光合成時には水ではなく硫化水素を使うため、酸素を発生しない。カルシウムイオンは、熱安定性に関連しているものの、硫黄代謝に直接の関連性はないため、長らく常温菌のA. vinosumは光合成にカルシウムイオンが不要だと考えられてきた。

注2)コア光捕集反応中心複合体(LH1-RC)
光エネルギーをアンテナタンパク質(LH1)で効率的に捕集し、反応中心(RC)へ伝え、光から電子への変換を行い、キノン分子により電子を伝達するタンパク質複合体。

注3)クライオ電子顕微鏡(Cryo-EM)
生体の高分子構造を立体的に解析できる手法の一種。本研究では、筑波大学生存ダイナミクスセンターのCRYO-ARM300IIと、沖縄科学技術大学院大学のTitan Krios G1を使用した。

注4)LH1サブユニット
光を集めるためのアンテナタンパク質LH1は、通常、α鎖とβ鎖と呼ばれる2種類の膜タンパク質から構成される。これらは、14~17ペアで、隙間なくリング状に並ぶことが多い。このリング状構造では、内側にα鎖が、外側にβ鎖が配列される。

注5)アイソフォーム
単一の遺伝子あるいは遺伝子ファミリーに由来している類似のタンパク質。互いに同じ機能である場合もあるが、全く異なることもある。LH1サブニットでは、α鎖とβ鎖のそれぞれが複数のアイソフォームで構成されることがある。T.tepidumは、α鎖とβ鎖ともに1種類ずつで、アイソフォームはないが、A. vinosumは、α鎖3種類とβ鎖2種類のアイソフォームが存在する。

研究資金

本研究は、国立研究開発法人日本医療研究開発機構(AMED)創薬等ライフサイエンス研究支援基盤事業(BINDS)JP21am0101118、 JP21am0101116、JP22am121004、科研費(JP20H05086, and JP20H02856)等の助成を受けて実施されました。

 

【題 名】 High-Resolution Structure and Biochemical Properties of the LH1–RC Photocomplex from the Model Purple Sulfur Bacterium, Allochromatium vinosum.
(紅色硫黄細菌のモデル種アロクロマチウム・ビノサム由来光捕集反応中心複合体の高分解能構造と生化学的特性)
【著者名】 Kazutoshi Tani, Ryo Kanno, Ayaka Harada, Yuki Kobayashi, Akane Minamino, Shinji Takenaka, Natsuki Nakamura, Xuan-Cheng Ji, Endang R. Purba, Malgorzata Hall, Long-Jiang Yu, Michael T. Madigan, Akira Mizoguchi, Kenji Iwasaki, Bruno M. Humbel, Yukihiro Kimura & Zheng-Yu Wang-Otomo
【掲載誌】 Communications Biology
【掲載日】 2024年2月12日
【DOI】     10.1038/s42003-024-05863-w

 

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研究トピック「『City-LES』の高速化をめぐるストーリー」を公開

計算科学研究センター(CCS)に所属する教員・研究員の研究をわかりやすく紹介する「研究者に聞くー研究トピックス」に「vol.17『City-LES』の高速化をめぐるストーリー」を公開しました。

「研究者に聞くー研究トピックス」

高性能計算システム研究部門の多田野助教の研究を紹介しています。

『City-LES』の高速化をめぐるストーリー

『City-LES』の高速化をめぐるストーリー

多田野 寛人 助教

高性能計算システム研究部門

多田野先生は、高性能計算システム研究部門の研究者です。方程式をコンピュータで速く解くための方法を研究することで、様々なモデルの計算時間短縮に貢献しています。今回は、多田野先生が都市街区気象モデル『City-LES』の高速化に携わったときの話を紹介します。

(2024.2.14 公開)

City-LESの抱える課題

City-LESは、計算科学研究センター日下研究室で開発された、都市気象に特化したモデルです。現実の都市と同じように建物や街路樹をひとつひとつ考慮しているため、モデル内の熱放射環境は非常に複雑になっています。しかし、ラジオシティ法1)を用いれば、このような複雑な放射計算でも高精度に行うことができます。求めた放射量から地表面の温度などを算出し、LES2モデルと結合することで、都市街区内の詳細な熱環境を再現しています。

私たちの身の回りで起こる物理現象は、偏微分方程式で記述されます。熱環境をモデルで再現するということは、偏微分方程式を差分の形で表し、連立一次方程式に書き換えて数値解を求めるということです。City-LESは解くべき方程式の数が非常に多いため、計算に長い時間がかかり、この部分が高速化のボトルネックになっていました。開発者の日下先生からこのことを相談された多田野先生は、面白そうだとCity-LES開発に協力することを決めました。

図1:City-LESによってシミュレートされた東京駅周辺の地上気温分布(出典:筑波大学日下研究室)

連立一次方程式を速く解くためには・・・

いきなりですが、頭の体操です。

を解いてみましょう。解けましたか?

このように、変数を1つずつ消去して、解を求める方法を「直接解法」と呼びます。この問題は変数がxyの2つだったので、操作は2回で済みました。では、変数が数千個、数万個ならどうしますか? 数千回、数万回と操作を繰り返すのは大変です。こうした場合は、連立一次方程式を行列の形に表して解くことを考えます。具体的には、連立一次方程式を次のように変形します。

ここで、Aは係数行列、xは未知ベクトル、bは既知ベクトルです。つまり、連立一次方程式を解くということは、xを解として求めることにほかなりません。直接解法で解くのは大変なので、こういう場合は「反復解法」を使います。反復解法とは、はじめにxの解を仮定して、その値を更新していくことにより、真の解に近づけていく方法です。反復解法は1回当たりの演算量が少ないため、反復回数が少ない場合には直接解法よりも計算時間が短くなります。つまり、計算時間短縮の可能性を秘めているのは、反復解法ということになります。

多田野先生は、反復解法のひとつである「クリロフ部分空間反復法」を採用し、計算時間短縮に挑むことにしました。クリロフ部分空間反復法の概念図を図2に示します。最初に仮定する解がx0で、x0, x1, …, xkと解が更新されるにつれて、真の解xに近づいていることが分かります。解の更新の仕方にはいくつもの種類があり、今回はそのうち3つの方法(CG法、CR法、Orthomin法)で計算速度を比較することにしました。

 

図2:クリロフ部分空間反復法の概念図。行列 と非ゼロベクトル から生成されるベクトル列で張られる部分空間:Kk(A, v)=span(v, Av, …, Ak-1v)をクリロフ部分空間という。クリロフ部分空間を用いて連立一次方程式Ax=bの近似解を生成する方法をクリロフ部分空間反復法という。

反復解法では、反復回数を減らすために「前処理」を行うことがよくあります。前処理の方法には色々ありますが、多田野先生が目をつけたのは「マルチグリッド法」です。マルチグリッド法では、グリッドサイズを一気に大きくして大雑把な解を求めた後、徐々にグリッドサイズをもとに戻していき、詳細な解を求めていきます(図3)。解に見当をつけながら解くことになるので、効率的な解法だと言われています。

図3:マルチグリッド法の概念図

そこで、CG法、CR法、Orthomin法という3つの反復解法について、マルチグリッド前処理により計算時間や反復回数がどう変わるかを調べました。その結果を図4に示します。まず、前処理を行った場合(青色、緑色)と前処理を行わなかった場合(赤色)で比較すると、3つの反復解法すべてで前処理を行った方が計算時間がかなり短くなっています(図4a)。また、前処理を倍精度3)で行った場合(青色)と単精度3)で行った場合(緑色)を比較すると、単精度で行った場合の方が計算時間が短くなっています(図4a)。倍精度の方が精度は高くなりますが、今回の前処理の計算では“計算が高速化できる”というメリットの方が大きいため、計算時間が最も短かった「単精度マルチグリッド前処理付きOrthomin法(黄色枠)」が最適な手法と言えそうです。図4bによると、このときの平均反復回数は1.03回となっています。これは、ほとんど1回の更新だけで真の解が求められた、つまり、アルゴリズム的には計算速度が最大に達したことを意味します。

図4:CG法、CR法、Orthomin法に対するマルチグリッド前処理の効果。101本の線形方程式を解いたときの (a) 総計算時間、及び、(b) 平均反復回数。赤色:前処理なし、青色:倍精度でのマルチグリッド前処理あり、緑色:単精度でのマルチグリッド前処理あり。

多田野先生がCity-LESの高速化で大成功を収めることができたのは、“先入観にとらわれず、まずは試しにやってみる”というポリシーで研究されていたためです。― やはり、自分の編み出した計算を速くするテクニックが、実際のアプリケーションに役立てられると嬉しい。今後は素粒子物理学や量子力学など、様々な分野のアプリケーション開発にも積極的に携わりたい ― 多田野先生の技術を欲している研究者は、ほかにもいるはずです。「多田野先生のおかげでアプリケーションが高速化した」というニュースが、また飛び込んでくることを期待しています。

(文・広報サポーター 松山理歩)

用語

  1. ラジオシティ法:光のエネルギー輸送をシミュレートするために使用される計算手法の一種。
  2. LES(Large-Eddy Simulation):乱流計算を行う手法のひとつ。グリッドサイズより大きい渦は直接計算し、グリッドサイズよりも小さい渦はモデル化して計算する。
  3. 倍精度/単精度:プログラミング言語で用いられる数値データ型の一つで、一つの数値をそれぞれ64ビット/32ビットの長さのデータとして表す。

さらに詳しく知りたい人へ

 

第138回計算科学コロキウムを、2月22日(木)13:00より開催します

第138回計算科学コロキウムを開催いたします。多数のご来聴をお待ちしております。

講演タイトル: 太陽系外惑星における光合成シグナルの観測可能性について 
       ―惑星の輻射環境と光合成色素の光物性―
講演者:小松 勇 博士(自然科学研究機構アストロバイオロジーセンター・国立天文台)
日時: 2024年2月22日(木) 13:00-14:00
場所: 計算科学研究センター 会議室C
言語: Japanese

要旨:
将来の太陽系外惑星観測において光合成由来のシグナルを検出する可能性を探るために天文学・地球科学・化学・生物学などの複数分野に跨った議論が要求されており、計算科学による貢献が期待される。本発表では惑星における放射伝達を考慮したモデル計算によって、光合成由来の蛍光が将来どのように観測され得るかについて調べた研究について紹介する。また、量子化学計算を用いた惑星で実現可能な色素探索の研究も発表する。

Keywords:アストロバイオロジー、光合成、太陽系外惑星、放射伝達、量子化学計算

世話人: 庄司光男