136th Colloquium of the Center for Computational Sciences

136th Colloquium

Title: Drug Design and Screening to Combat Infectious Diseases and Cancer.
Speaker: Thanyada Rungrotmongkol, Department of Biochemistry, Chulalongkorn University, Thailand.
Date: 17 November 2023
Time: 10:00-11:00
Venue: Center for Computational Sciences, Meeting Room B 
Language: English

Abstract:
Cancer remains a significant global health challenge, imposing a substantial burden on nations across the world, and stands as a prominent cause of both mortality and morbidity. In the field of cancer therapy, Janus kinase (JAK) and epidermal growth factor receptor (EGFR) have been known as promising targets due to their pivotal roles in regulating cancer cell proliferation and survival. Specifically, the approach of targeting hyperactive kinases presents a hopeful path towards reducing cancer-related deaths. In this study, we applied in silico screening techniques to identify potential candidates for anti-cancer drugs, encompassing both natural products and their synthetic counterparts, with a primary focus on JAKs and EGFR tyrosine kinase (EGFR-TK). Following this, the selected compounds underwent experimental investigations to evaluate their biochemical effectiveness, ability to induce apoptosis in cancer cells, and patterns of kinase selectivity. Our research endeavors represent a collective pursuit aimed at not only discovering novel anti-cancer medications but also comprehensively unraveling the intricate details of how these compounds are recognized and interact at the molecular level.

 

Coordinator : Shigeta Yasuteru, Kowit Hengphasatporn

研究トピックス「球状星団誕生の謎を解き明かす」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.13 球状星団誕生の謎を解き明かす」を公開しました。

 

「研究者に聞くー研究トピックス」

 

宇宙物理研究部門の福島助教の研究を紹介しています。

球状星団誕生の謎を解き明かす

 

球状星団誕生の謎を解き明かす

福島 肇 助教

宇宙物理研究部門

福島先生は星や星の集まりである星団がどのようにできるのかについてコンピュータを用いて理論研究をしている先生です。一般的な星形成の過程に、星が出す光の効果を取り入れることによってより正確な星形成のメカニズムを研究しています。

(2023.10.26 公開)

 

謎に包まれた球状星団の形成メカニズム

我々のいる宇宙に浮かぶ、星々の集まりである星団は、物質が無秩序に飛び交うガス雲から誕生します。

星団には、現在も多くの銀河系内で誕生し続けている比較的密度の低い散開星団と、とても密度の高い球状星団があります。私たちの住む天の川銀河にもたくさんの星団がありますが、特に球状星団はその誕生が宇宙初期ととても古いため、形成過程は謎に包まれていました。

球状星団の形成過程を考える上で特に問題になるのが、星団の周りにできる高温のガスである電離領域の影響です。球状星団は質量が大きいため、その形成過程でたくさんの紫外線光を出します。紫外線光によって星団周辺のガスが電離され高温となり、ガスが散逸するために、誕生した星々が散り散りになってしまい、まとまった大きい質量・密度の星団(=球状星団)ができない、というのがこれまでの課題でした。

図1 : 散開星団形成過程のシミュレーション。中心部の星(白点)の密度が低いことがわかる(右図)。

     

カギを握る“光”の効果

そこで福島先生は、星団の形成過程をシュミレーションする計算過程に光の伝播による影響を組み込みました。

そもそも星団の形成過程をシュミレーションするには、基本的に”流体“という流動的で普通の硬い物体とは異なるものに関する方程式を解く必要があります。さらにこれに加えて、宇宙環境内で考えるべき物理的・化学的影響も取り入れる必要があり、これだけでも莫大な量の計算をしなくてはなりません。福島先生はこれらに加えて光の伝播も計算することを可能にし、より現実に近い物理現象をシュミレーションすることに成功しました。

これによって球状星団が生まれる仕組みもわかってきました。例えば、銀河系内において通常の5倍の密度のガス雲があれば、電離によって散り散りになる力よりも星の重力が強くなり、球状星団の形成が可能であることが示されたのです。

図2 : 球状星団形成過程のシミュレーション。これまでは中心部の星が散り散りになってしまう問題があった(左図)が、福島先生は球状星団を再現することに成功した(右図)。

球状星団は宇宙初期に誕生したと考えられているため、その形成過程の研究は初期宇宙の状況を解明することにもつながります。

福島先生は球状星団中の星一つ一つの誕生や挙動を追ったり、星の元素組成を計算で再現することでより詳細に球状星団の性質に迫り、将来的に初期宇宙の解明につなげたいと考えています。

(文・広報サポーター 類家千怜)

 

さらに詳しく知りたい人へ

第135回計算科学コロキウムを、11月10日(金)10:00より開催します

第135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: Excited-state Intramolecular Proton Transfer (ESIPT) Molecules for Fluorescent Probes and Imaging Agents.
講演者: Nawee Kungwan, Department of Chemistry, Chiangmai University, Thailand.
日時: 2023年11月10日(金) 10:00-11:00
場所: 計算科学研究センター 会議室A
言語: English

Abstract:
Chromophores possessing excited-state intramolecular proton transfer (ESIPT) are of great important in the past decades because of their desirable unique photophysical properties which can be used in various applications ranging from optoelectronic devices such as light emitting diodes and laser dyes, molecular switching to fluorescent probes both in chemical and biological systems. Therefore, the development of new chromophores based on the ESIPT process have been intensively developed using combined experimental approach and theoretical study. The identification of how structural modifications controlling their optical properties driven by ESIPT process and solvent media affecting their fluorescent emission are of great importance. Thus, our group is interested in studying several aspects in terms of electronic properties and ESIPT process through the computational chemistry as an effective tool. Moreover, the systemic study and molecular screening using certain criteria will be carried out to provide the best candidates for applications in fluorescent probes and imaging agents.

Keywords Excited-state intramolecular proton transfer, computational chemistry, fluorescent molecular probe, luminescent material

 

世話人 : Shigeta Yasuteru, Kowit Hengphasatporn

135th Colloquium of the Center for Computational Sciences

135th Colloquium

Title: Excited-state Intramolecular Proton Transfer (ESIPT) Molecules for Fluorescent Probes and Imaging Agents.
Speaker: Nawee Kungwan, Department of Chemistry, Chiangmai University, Thailand.
Date: 10 November 2023
Time: 10:00-11:00
Venue: Center for Computational Sciences, Meeting Room A [QM for matherial]
Language: English

Abstract:
Chromophores possessing excited-state intramolecular proton transfer (ESIPT) are of great important in the past decades because of their desirable unique photophysical properties which can be used in various applications ranging from optoelectronic devices such as light emitting diodes and laser dyes, molecular switching to fluorescent probes both in chemical and biological systems. Therefore, the development of new chromophores based on the ESIPT process have been intensively developed using combined experimental approach and theoretical study. The identification of how structural modifications controlling their optical properties driven by ESIPT process and solvent media affecting their fluorescent emission are of great importance. Thus, our group is interested in studying several aspects in terms of electronic properties and ESIPT process through the computational chemistry as an effective tool. Moreover, the systemic study and molecular screening using certain criteria will be carried out to provide the best candidates for applications in fluorescent probes and imaging agents.

Keywords Excited-state intramolecular proton transfer, computational chemistry, fluorescent molecular probe, luminescent material

 

Coordinator : Shigeta Yasuteru, Kowit Hengphasatporn

X線透視画像と3次元CTデータの高精度な重ね合わせを実現

2023年10月13日

国立大学法人 筑波大学
東京医科大学

整形外科手術ではX線透視画像を頻繁に使用しますが、術中に、2次元情報である画像から患部の3次元形状を正しく認識することは困難です。この問題を解消するため、あらかじめ取得した患部の3次元CTデータを、術中のX線透視画像上に全自動で正確に重ね合わせる技術を開発しました。

 

概要

X線透視装置は、整形外科手術において頻繁に使用される医療機器ですが、2次元のX線画像から患部の3次元形状を対応付けるには、医師の経験や知識に多くを頼っているのが現状です。術中に撮影するX線画像と、術前にCTスキャンで取得した3次元モデル(CTモデル)との重ね合わせができれば、医師自身が2次元画像から3次元形状を想像する作業が軽減され、手術に集中できるようになります。このような目的でX線画像とCTモデルを高精度に重ね合わせる際には、「身体の一部だけを大写しした画像(局所画像)でも機能すること」「全自動で処理できること」が不可欠です。そこで本研究では、X線画像のシーン座標を回帰する畳み込みニューラルネットワーク(CNN)を用いて、これらを実現しました。X線撮影カメラの光学中心と画像中の画素を結ぶ直線と、CTモデルとの交点で、シーン座標を定義し、その座標系で3次元点群とその観測位置(2次元座標)の対応関係を自動的に取得可能な手法を考案するとともに、これにより獲得した対応点情報と深層学習を組み合わせることで、局所画像に対しても高精度な重ね合わせに成功しました。

本技術を、骨盤のCTモデルとX線画像の両方が収録されているデータセットを用いて検証した結果、シミュレーションX線画像で3.79mm(標準偏差1.67mm)、実写X線画像で9.65mm(標準偏差4.07mm)の誤差で、X線画像とCTモデルの重ね合わせを達成しました。

 研究代表者 

筑波大学 計算科学研究センター
 北原 格 教授
 Pragyan SHERESTHA(エンパワーメント情報学プログラム3年)
東京医科大学 茨城医療センター
 吉井 雄一 教授

 

 研究の背景 

  画像支援は、現代の外科手術において重要な役割を果たしています。整形外科の分野では、人工関節置換術注1)、脊椎固定術、骨接合術注2)など、多くの手術で術中X線透視画像が利用されています。しかしながら、2次元のX線画像内では、撮影対象の解剖学的構造が重なり合って見えるため、画像のみから実際の患部の3次元構造を正しく認識することは困難です。術中に撮影するX線画像と、術前に取得した患部の3次元CT(コンピュータ断層撮影)データとを正確に重ね合わせる(図1)ことができれば、医師自身が3次元構造を想像する作業が軽減され、手術に集中できるようになります。

  このような高精度な重ね合わせを行う一般的な手法では、患者の術部に放射線不透過性マーカーを埋め込み、術前に3次元CTデータを取得してそれぞれの画像でマーカーを特定し、術中に撮影する画像との対応関係を求めます。しかし体内にマーカーを埋め込むにはコストがかかる上、手術部以外の侵襲を伴います。そこで、マーカーを使わない手法が研究されてきました。その中でも、近年注目されているのがX線画像からランドマーク点注3)を特定する深層学習ベースの手法です。骨形状上の解剖学的なランドマーク点をX線画像から推定することで、高精度な重ね合わせを可能とするものですが、撮影姿勢によっては、あらかじめ設定したランドマーク点が写らないことがある、また、深層学習モデルの学習時に、ランドマーク点にラベル付けする作業(アノテーション)が必要となる、などの課題があります。本研究では、これらの課題を、シーン座標注3)の推定を行うことで解決しました。

 研究内容と成果 

術中に用いる撮影カメラの光学中心と画像中の画素を結ぶ直線と、術前にCTスキャンで取得した3次元モデル(CTモデル)との交点で、シーン座標を定義し、その座標系で3次元点群とその観測位置(2次元座標)の密な対応関係(画像上のピクセルごとに3次元の座標値を対応させる)を自動的に取得可能な手法を考案しました。また、この手法により獲得した対応点情報と深層学習を組み合わせることで、局所画像に対しても高精度な重ね合わせに成功しました。

具体的には、X線画像からその対象物体の表面のシーン座標を回帰するモデルを開発しました。この方法の特徴は、畳み込みニューラルネットワーク(CNN)注4)を用いることで、推定するシーン座標を入力した画像の各画素と対応させる点です。先行研究における位置合わせ手法では数箇所の対応しか作れないのに対し、本手法では密な対応が作れます。ここで、シーン座標系は3次元CTデータにおいて定義されているため、X線画像を撮った際に、その画像とCTデータの相対的な関係を求めることができます(図2)。これによって明示的にランドマーク点注5)のアノテーションを行う手間が省かれ、さらに、骨形状が写っている限り対応点が得られるため、ランドマーク点を含まない局所画像についても重ね合わせができるようになります。

実験では、患者のCTデータからシミュレーションで生成したX線画像を使って、シーン座標を回帰する深層学習モデルを学習させました。その際、さまざまな撮影姿勢を設定した他、実際のX線画像のような見た目を再現するモデルDeepDRR注6)を用いました。その結果、シミュレーション画像でのテストでは、推定された位置姿勢と実際の位置姿勢には平均で3.88mmの誤差が確認されました。また、10mm以下の誤差を重ね合わせの成功基準とした場合、失敗率は平均で11.76%にとどまりました。また、シミュレーション画像で学習したモデルを実際のX線画像に適用したところ、画像上の誤差9.65mmの精度で重ね合わせができました(図3)。

 

 今後の展開 

本手法で得られた重ね合わせを初期値として、X線画像のシミュレーションと実際のX線画像の差分を最小化するように最適化を実行することで、さらなる精度向上が期待できます。なお本手法では、密な2次元と3次元の対応を推定する際に、重ね合わせに用いる対応点の最適な組み合わせを選ぶための計算回数が増え、実行時間が単位画像あたり2秒程度と、他の手法と比べて100倍程度長くかかります。今後、推定したシーン座標の信頼度を工夫して重ね合わせに用いる対応点を絞り込むことで高速化を図り、医療現場での実証実験を進める予定です。

 

 参考図 

図1 重ね合わせの原理 C-アーム型のX線透視撮影装置に搭載されたX線源と検出器を組み合わせてカメラ座標系を定義する。手術台上の撮影対象にはCT撮影時にワールド座標系注7)が定義されている。剛体変換行列注8)によりこれらの座標系の間の関係を求め、位置を合わせて、ワールド座標系のCTモデルをカメラ座標系に変換する。これにより、X線撮影装置で撮影した画像とCTモデルの勾配画像注9)をモニター上で重ね合わせる。
図2 本研究で開発した手法の概要図 U-Net型注10)の深層学習モデルでX線画像をシーン座標マップへ変換し、位置姿勢推定アルゴリズムであるPerspective-n-Point (PnP)をRandom Sample and Consensus (RANSAC)注11)の推定モデルとして使った。CTデータから得られた3次元モデルを推定した剛体変換でカメラ座標に変換し、画像を重ね合わせた。

図3 本手法による実際のX線画像での重ね合わせ結果の例 左図と右図はそれぞれ異なる患者の骨盤に対する画像処理の結果を示し、いずれも、左側が3Dモデル、右側がX線画像に勾配画像(緑の線)を重ね合わせたもの。X線画像内の骨領域(画像の白い部分)の境界と勾配画像が精度良く重なっていることが確認できる。

 

 用語解説 

注1)    人工関節全置換術
けがや疾患によって傷んだ関節の表面を取り除いて、人工関節に置き換える手術。

注2)    骨接合術
骨折した部分を、プレートとスクリュー、髄内釘といわれる骨内の心棒を使って固定させる方法。

注3)    シーン座標
3Dモデルの表面位置を記述する座標。

注4)    畳み込みニューラルネットワーク(CNN)
AIの学習手法の一つ。 画像を格子状に分割し、それぞれの特徴を画像全体にわたって比較し、一致の程度でフィルターをかける畳み込み処理を複数の層で行い、それらを結合することにより、一部が不明瞭な画像でも解析を可能にする。

注5)    解剖学的なランドマーク点
腸骨の前面上部に位置する上前腸骨など、異なる人体間で共通する特徴的部位。

注6)    DeepDRR
CTデータからX線透視撮影画像のような見た目の画像を生成する技術。

注7)    ワールド座標系
全ての座標の基準となる座標系。本システムではCT撮影時に観測機材によって定義される座標系。

注8)    剛体変換
物体形状は変化しない(剛体である)ことを前提に、3次元空間中での回転と平行移動を表現する変換。

注9)    勾配画像
画像の濃淡変化を勾配量として構成される画像。本システムでは、3次元モデルを投影した画像の濃淡変化を勾配値とした画像。物体境界付近は濃淡変化が大きいため強い勾配が現れる。

注10)    U-Net
畳み込みニューラルネットワークの一種で、畳み込み処理によって入力画像を特徴量に変換するエンコーダ部分と、生成された特徴量から出力画像を生成するデコーダ部分から成る。

注11)    Random Sample and Consensus
数理的なモデルのパラメータをデータから推定する際に、外れ値を除外するためのアルゴリズム。本研究においては、間違った対応点を除外するために用いた。

 

 研究資金 
本研究は、科研費による研究プロジェクト(23K08618)および日本損害保険協会交通事故医療研究助成の一環として実施されました。

【題 名】 X-Ray to CT Rigid Registration Using Scene Coordinate Regression
【著者名】 Pragyan Shrestha (University of Tsukuba) , Chun Xie (University of Tsukuba), Hidehiko Shishido (University of Tsukuba), Yuichi Yoshii (Tokyo Medical University), Itaru Kitahara (Universiy of Tsukuba)
【掲載誌】 The 26th International Conference on Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention (MICCAI 2023)
【掲載日】 2023年10月1日
【DOI】      10.1007/978-3-031-43999-5_74

 

プレスリリース全文はこちら

 

 

筑波会議2023でセッションを開催しました

2023年9月26-28日の日程で、つくば国際会議場にて筑波会議2023が開催されました。

計算科学研究センターでは、9月28日に『Designing a Better World through Interdisciplinary Computational Sciences(学際計算科学から未来社会をデザインする)』と題してスペシャルセッションを開催しました。

当日は多くの参加者にお越しいただき、有意義な議論を行うことができました。

当日のプログラムなどはこちらをご覧ください。
筑波会議S03 

2023 CCS-EPCC Workshop

Date: October 11 (Wed) – 12 (Thu), 2023
Venue: Center for Computational Sciences, University of Tsukuba
International Workshop Room

DAY1 

start end Speaker title
9:45 10:00 Taisuke Boku CCS research activity update
10:00 10:30 Mark Parsons Exascale at EPCC
10:30 11:00 Osamu Tatebe Performance Evaluation of Pegasus Persistent Memory Supercomputer.
11:00 11:15   Break
11:15 11:45 Shinichiro Akiyama Tensor network method for lattice field theory.
11:45 12:05 Joseph Lee Alternative architectures: RISC-V and Quantum Computing
12:05 12:15   Group Photo
12:15 13:45   Lunch
13:45 14:15 Masao Mori Galaxy collison and evolution of galaxies
14:15 14:45 Joe O’Connor Large-Scale Simulations of Turbulent Flows and Marine Energy Systems with HPC
14:45 15:15 Nicholas Schwier, Yoshinari Kameda Deeper Understanding of Vision through Art
15:15 15:30   Break
15:30 16:00 Michele Weiland Morpheus: a library for efficient runtime switching of sparse matrix storage formats
16:00 16:30 John Bosco Mugeni AdapterEM: Pre-trained Language Model Adaptation for Generalized Entity Matching using Adapter-tuning
16:30 17:00    

DAY2

start end Speaker title
9:30 10:00 Quang Van Doan Clustering climate data: From deterministic to ensemble approaches
10:00 10:30 Adrian Jackson Machine Learning for Radio Astronomy Memory and I/O with DAOS and Optane
10:30 10:45    
10:45 11:15 Adrian Jackson Memory and I/O with DAOS and Optane
11:15 11:45 Yuta Hori Computational Approach to the Active Site in Metal-Containing Protein for Hydrogen
11:45 12:05 Joseph Lee AI Accelerators and Energy Efficiency
12:05 13:30   Lunch
14:00     Visiting Cygnus

2023 CCS-EPCC Workshop

Date: October 11 (Wed) – 12 (Thu), 2023
Venue: Center for Computational Sciences, University of Tsukuba
International Workshop Room

DAY1 

start end Speaker title
9:45 10:00 Taisuke Boku CCS research activity update
10:00 10:30 Mark Parsons Exascale at EPCC
10:30 11:00 Osamu Tatebe Performance Evaluation of Pegasus Persistent Memory Supercomputer.
11:00 11:15   Break
11:15 11:45 Shinichiro Akiyama Tensor network method for lattice field theory.
11:45 12:05 Joseph Lee Alternative architectures: RISC-V and Quantum Computing
12:05 12:15   Group Photo
12:15 13:45   Lunch
13:45 14:15 Masao Mori Galaxy collison and evolution of galaxies
14:15 14:45 Joe O’Connor Large-Scale Simulations of Turbulent Flows and Marine Energy Systems with HPC
14:45 15:15 Nicholas Schwier, Yoshinari Kameda Deeper Understanding of Vision through Art
15:15 15:30   Break
15:30 16:00 Michele Weiland Morpheus: a library for efficient runtime switching of sparse matrix storage formats
16:00 16:30 John Bosco Mugeni AdapterEM: Pre-trained Language Model Adaptation for Generalized Entity Matching using Adapter-tuning
16:30 17:00    

DAY2

start end Speaker title
9:30 10:00 Quang Van Doan Clustering climate data: From deterministic to ensemble approaches
10:00 10:30 Adrian Jackson Machine Learning for Radio Astronomy Memory and I/O with DAOS and Optane
10:30 10:45    
10:45 11:15 Adrian Jackson Memory and I/O with DAOS and Optane
11:15 11:45 Yuta Hori Computational Approach to the Active Site in Metal-Containing Protein for Hydrogen
11:45 12:05 Joseph Lee AI Accelerators and Energy Efficiency
12:05 13:30   Lunch
14:00     Visiting Cygnus

[web release]Amino acid homochirality produced in the early stage of the Milky Way by Lyman-α irradiation

   The process responsible for the origin oflife on Earth from non-living matter remains shrouded in mystery. One of these mysteries is the homochirality characterizing any  life form of our planet. Amino acids, the fundamental building blocks of living organisms, can take two mirror-image forms known as optical isomers, L– and D-forms. Nonetheless, despite this symmetry, life on Earth uses exclusively the L-form (L-form enantiomeric excess). The mechanism responsible for the preferential selection of the L-form in amino acids is still not fully understood. A possible explanation, is the photolysis induced by circularly polarized light during galactic evolution before the emergence of life.

   Recently, biomolecules including amino acids have been found in meteorites and asteroids, indicating their existence outside planet Earth. On these grounds, it was proposed that these molecules could have arrived on Earth during its early stage through meteorite impacts, contributing to the origin of life on our planet. On the other hand, during the early stages of galaxy formation, strong emissions of Lyman-α radiation, a wavelength of 121.56 nm (10.2 eV) associated with the de-excitation of hydrogen atoms, have been observed. This radiation was conceivably scattered by interstellar dust, resulting in a widespread region of circularly polarized Lyman-α light. However, the generation of an excess of L-amino acids induced by the radiation in the high-energy region including Lyman-α light, has not been completely understood until recently.

   In our study, we theoretically investigated the absorption intensity of amino acids for circularly polarized light in the vacuum ultraviolet region (~11 eV), and derived a new formula able to estimate L-enantiomeric excess covering a wide wavelength range. As a result, we found that there is a specific wavelength region, particularly around 10 eV, where multiple amino acids commonly exhibit a high L-enantiomeric excess. This suggests that L-enantiomeric excess can be induced by Lyman-α irradiation. When applied to our Milky Way, we have been able to show that selective photolysis of D-enantiomer amino acids throughout the entire solar system was induced by the Lyman-α irradiation during the early phase of its galactic evolution. This process explains the origin of homochirality of amino acids on Earth. This mechanism provides an important clue for unraveling the mystery of the origin of life and the cosmic origin of biomolecules.


accepted paper

Title: Origin of Homochirality in Amino Acids Induced by Layman-α Irradiation in the Early Stage of the Milky Way

Journal: Astrobiology

DOI: 10.1089/ast.2022.0140

 

歳差運動するM87ジェットの噴出口 ― 巨大ブラックホールの「自転」を示す新たな証拠 ―

筑波大学計算科学研究センターの大須賀健教授が参加する国際研究チームは、東アジアVLBIネットワークをはじめとする観測装置を用いて、楕円銀河M87の中心から噴出するジェットの運動を詳しく観測しました。過去20年以上にわたって得られた多数の画像を分析しまとめた結果、ジェットの噴出方向が約11年周期で一般相対性理論が予言する歳差運動(首振り運動)をしていることを発見しました。本成果は、M87の巨大ブラックホールが自転(スピン)していることを強く示すとともに、強力なジェットの発生にブラックホールの自転が深く関与していることを裏付けるものです。研究成果は、英国の科学雑誌『ネイチャー』に2023年9月27日付で掲載されました。

[図1] 自転する巨大ブラックホールの周りで歳差運動(立体的な首振り運動)する降着円盤とジェットの想像図。ブラックホールの自転軸は図の南北方向に固定されている。ブラックホールの自転軸に対して降着円盤の回転軸が傾いていると、一般相対性理論の効果によってこのような歳差運動が生じる。画像クレジット:Cui Yuzhu et al. (2023), Intouchable Lab@Openverse and Zhejiang Lab.

 

プレスリリース詳細については、以下の国立天文台のページをご覧ください。
https://www.nao.ac.jp/news/science/2023/20230928-eavn.html

 

掲載論文
タイトル:Precessing jet nozzle connecting to a spinning black hole in M87
掲載誌:Nature
DOI:10.1038/s41586-023-06479-6



Two-decade monitoring of M87 unveils a precessing jet connecting to a spinning black hole

2023 Sep. 28

The nearby radio galaxy M87, located 55 million light-years from the Earth and harboring a black hole 6.5 billion times more massive than the Sun, has recently been discovered to exhibit an oscillating jet. This investigation found the jet swinging up and down with an amplitude of about 10 degrees. Through the extensive analysis of data observed from 2000 to 2022 by various international networks of radio telescopes, the research team unveils a recurring 11-year cycle in the precessing motion of the jet base, as predicted by Einstein’s general relativity. This work successfully linked the dynamics of the jet with the central supermassive black hole, offering the evidence for the existence of M87’s black hole spin. The work is published in the current issue of Nature.

Figure 1. Schematic representation of the tilted accretion disk model. The black hole spin axis is assumed to align vertically. The jet direction stands almost perpendicular to the disk plane. The misalignment between the black hole spin axis and disk rotation axis triggers the precession of disk and jet. Credit: Yuzhu Cui et al. (2023), Intouchable Lab@Openverse and Zhejiang Lab.

 

See more detail
→The National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ)
 https://www.nao.ac.jp/en/news/science/2023/20230928-eavn.html

 

Original Paper
Title: Precessing jet nozzle connecting to a spinning black hole in M87
Journal: Nature
DOI: 10.1038/s41586-023-06479-6

[ウェブリリース]アミノ酸のホモキラリティ起源は天の川銀河形成時のライマンアルファ光で形成された

2023年9月25日

国立大学法人筑波大学

概要

 地球上の生命が無生物から誕生する過程は未だ多くの謎に包まれている。その一つに生命のホモキラリティ問題がある。生物を構成する基本分子であるアミノ酸は、鏡像異性体と呼ばれる2つの光学異性体(L体とD体)をとりうるが、地球上の生物はこのうちL体のみを利用している(L体過剰)。なぜL体が選択されるに至ったかその機構は十分に解明されていない。この起源として、生命誕生前の銀河形成時における円偏光-光分解が可能性として考えられる。

 近年の研究により、アミノ酸をはじめとする生体分子が隕石や小惑星から見つかり、地球外にもこれらが存在することが判明している。これらが隕石により原始地球に飛来し、現在の地球上生命の起源となったとする説が提案されている。一方、銀河形成の初期段階では、ライマンα輝線と呼ばれる水素原子の脱励起に伴う121.56 nm(10.2 eV)の強い輝線が放射されることが観測されており、周辺の星間ダストの影響を受け、広範囲にわたるライマンα光の円偏光領域が存在していたと考えられる。しかしながらライマンα光を含む高いエネルギー領域でのアミノ酸のL体過剰生成は、これまで十分に議論されてこなかった。

 本研究では、これら真空紫外領域(~11 eV)でのアミノ酸の円偏光吸収を理論的に算出し、広いエネルギー領域に適したL体過剰生成の計算式を新たに導出した。その結果、10 eV付近に複数のアミノ酸に共通して高いL体過剰率を持つ波長領域が存在することが分かった。これは、ライマンα光照射によりL体過剰が強く引き起こされることを示唆する。このことから、我々の天の川銀河では、銀河形成時のライマンα光照射により太陽系全体でD体アミノ酸の選択的光分解が起こりL体過剰となることで、地球上生命のホモキラリティにつながったと考えられる。本機構は生命の起源の謎や生体分子の宇宙起源説を紐解く重要な手がかりとなる。

 

掲載論文

題名:
Origin of Homochirality in Amino Acids Induced by Layman-α Irradiation in the Early Stage of the Milky Way
(アミノ酸のホモキラリティ起源は天の川銀河形成初期のライマンα光で形成された)

掲載誌:
Astrobiology

DOI:
10.1089/ast.2022.0140

 

関連記事
プレスリリース「アミノ酸のホモキラリティ獲得の分子機構を解明〜量子化学計算で生命の起源を探る〜」(2023年3月28日)

研究トピック「より確からしい天気予報を目指して」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− 研究トピックス」に「Vol.12 より確からしい天気予報を目指して」を公開しました。

 

「研究者に聞く− 研究トピックス」

 

地球環境研究部門の松枝助教の研究を紹介しています。

より確からしい天気予報を目指して

より確からしい天気予報を目指して

松枝 未遠 助教

地球環境研究部門

松枝先生は、地球環境研究部門の研究者です。博士後期課程の学生のとき、筑波大学と気象庁数値予報課の共同研究の主力メンバーに抜擢されたことをきっかけに、アンサンブル予報の研究を始めたそうです。現在は、アンサンブル予報データの予測・応用可能性について研究されています。また、世界中の研究者が利用するデータベース『準リアルタイムアンサンブル予報プロダクト ウェブサイト(TIGGE / S2S / Copernicus Museum)』の運営にも熱心に取り組まれています。

(2023.09.20 公開)

 

どのくらい当たりそう? 予報の確からしさを調べるアンサンブル予報

数値予報とは、コンピュータを用いて地球大気の数値シミュレーションを行い、ある時点の大気状態から未来の大気状態を予測することです。ある時刻における地球上のあらゆる場所の気象要素(気圧、気温、湿度、風などの物理量)を初期値として与え、コンピュータ上で天気予報の方程式を解くことで仮想的に地球大気を再現します。ところが、この初期値には観測値が利用されるため、必ず誤差が含まれてしまいます。例えば、気温、湿度、風というのは日当たりや風通しによって時々刻々と変化するため、世界中どこでも均質に観測することはほぼ不可能です。この不均質な観測が、初期値の誤差の原因のひとつになり得るのです。数値予報では、初期値に含まれる僅かな誤差が計算を何度も繰り返すうちに増大し、予測の誤差が生じます(これを「大気のカオス性」と呼びます)。

予測の誤差を見積もるには、どうすればよいでしょうか? そのひとつとして「アンサンブル予報」と呼ばれる方法があります。アンサンブル予報では、観測値に手を加えることで少しずつ異なる初期値をたくさん用意して、一度に複数の予報を行います。アンサンブル予報の個々の予報のばらつきから予報の確からしさを見積もったり、確率予報を行うことができます。

図1:気象庁のアンサンブル予報による台風進路。左は台風10号(DAMREY)、右は台風9号(SAOLA)に関する予報で、ともに2023年8月25日12UTCを初期時刻とする。左の例では複数の予報の線がよくまとまっており、予報の確度が高い。右の例では予報の線がばらついており、予報の確度が低い。

 

アンサンブル予報の結果を比べてみよう!

台風の進路予報は、アンサンブル予報の例としてよく取り上げられます。まずは、以下のリンクから松枝先生の運用されているウェブサイトを覗いてみましょう。

   http://gpvjma.ccs.hpcc.jp/TIGGE/tigge_TC.html

このウェブサイトでは、2008年7月以降の日本周辺の台風進路予報と実況進路を見ることができます。例えば、2023年8月に沖縄本島を二度にわたり襲った台風6号(KHANUN)の予報を見たい場合には、

   Year(年):2023

   Tropical cyclone name(台風名):KHANUN

   Initial time of forecast(予報初期時刻):2023072812

と順に選択します。すると、2023年7月28日12UTC(協定世界時)を初期時刻とする各国の予報進路(色線)と実際の進路(黒線)が現れます。この時点では、台風6号は中国大陸に向かうとされていました(図2)。色線がよくまとまっており、予報は確からしいと誰もが思うほどでした。

しかし、新しい予報が出るごとに予想進路は徐々に変化していきます(Initial time of forecastを順に進めて確認してみてください)。7月31日12UTCを初期時刻とする予報(図3)では、先ほどよりも色線のばらつきが大きくなっています。これは、まだ確実とは言えないけれど、一度、沖縄を通過した台風が戻ってきて再上陸する可能性が出てきた、ということを示しています。結果的にはこの予報が実際の進路と一致しました。

このように、初期時刻や国によって予報結果は異なります。事前にどの予報が当たるか分かればよいのですが、残念ながら分かりません。だからこそ、起こりうる複数のシナリオを事前に把握し、予報の確からしさを調べることで対策に役立てます。

ところで、このウェブサイトはもともと、アンサンブル予報に携わる世界中の研究者のためのデータベースとして松枝先生が立ち上げたものです。研究者にとって、過去の予報データはまさに“宝の山”。誰もがアクセスできるよう整備することで、気象予報の研究の活性化に貢献しています。こうして得られた研究成果が反映されることで、天気予報が改善されていくのですね!

【ウェブサイト利用時の注意点】

研究・教育目的のみ使用可。最新の台風の予報進路が掲載されているわけではないので、実際の防災や避難等の参考にはしないでください(気象庁や民間気象会社の最新の台風情報をご利用ください)。

図2:2023年7月28日12UTCを初期時刻とする各国気象庁のアンサンブル予報による台風進路(a:カナダ気象センター、b:欧州中期予報センター、c:気象庁、d:米国環境予測センター、e:英国気象局)。

図3:2023年7月31日12UTCを初期時刻とする各国気象庁のアンサンブル予報による台風進路(a:カナダ気象センター、b:欧州中期予報センター、c:気象庁、d:米国環境予測センター、e:英国気象局)。

(文・広報サポーター 松山理歩)

 

さらに詳しく知りたい人へ

 

 

 

中性子結晶構造解析によって酵素ラジカル反応中間体の詳細構造を初めて解明 ―酵素を効率的に働かせるための“手品のタネ明かし”―

2023年9月20日

大阪医科薬科大学
大阪大学
量子科学技術研究開発機構
筑波大学
茨城大学
理化学研究所
J-PARCセンター
総合科学研究機構 中性子科学センター
茨城県

研究のポイント

  • 酵素反応で生じるラジカル中間体の中性子結晶構造解析に世界に先駆けて成功
  • 水素原子の精確な位置情報をもとに、酵素が常温常圧で効率的に機能するための仕組みの一端を解明
  • ラジカル中間体を持つ新しい有用酵素開発への応用に期待

 

概要

大阪医科薬科大学、大阪大学、量子科学技術研究開発機構、筑波大学、茨城大学、理化学研究所らの研究グループは、大強度陽子加速器施設(J-PARC)※1内に設置された、物質・生命科学実験施設(MLF)の茨城県生命物質構造解析装置(iBIX) ※2を用いた実験により、銅アミン酸化酵素の触媒反応途上に形成されるセミキノンラジカル中間体の中性子結晶構造解析※3に成功しました。これはラジカルタンパク質として初めての成果であり、活性中心の水素原子の位置を明らかにすることにより、酵素タンパク質内でラジカル中間体が安定に存在できる仕組みの一端を解明しました。同時に活性中心にアミン基質が結合していることも発見し、この基質が、補酵素の構造変化を助けるために反応途中で生成物と入れ替わったものであることを明らかにしました。本研究は、酵素を効率的に働かせるために仕込まれている”手品のタネ”を明かしたといえます。
 今回の研究は酵素の精緻な反応メカニズムの一端を原子レベルで明らかにしたものであり、またこれにより、ラジカルを反応中間体とする各種の有用酵素の開発にも大きな進展をもたらすことも期待されます。

本研究成果は、米国科学誌「ACS Catalysis」に、9月7日(木)19時(日本時間)に公開されました。

 

プレスリリース全文はこちら

計算科学研究センターが共同利用・共同研究システム形成事業 「学際領域展開ハブ形成プログラム」に採択

筑波大学 計算科学研究センターは、令和5年度 共同利用・共同研究システム形成事業「学際領域展開ハブ形成プログラム」に採択されました。
本事業は全国の共同利用・共同研究拠点等がハブとなって行う学際共同研究、組織・分野を超えた研究ネットワークの構築・強化・拡大を推進するもので、全国で8つの拠点が採択されました。
当センターの採択事業は以下の通りです。
 
事業名:AI 時代における計算科学の社会実装を実現する学際ハブ拠点形成
事業概要:材料・生命科学・気象などの分野を中心に、企業・国研・大学間のスーパーコンピュータを用いた連携研究を促進し、我が国におけるシミュレーション科学・工学の実用範囲を広げ、特に企業における計算科学DXを大きく推進する、計算科学の社会実装を目指す。
 
【参考リンク】
<文部科学省>
令和5年度 共同利用・共同研究システム形成事業 「学際領域展開ハブ形成プログラム」の採択機関の決定について: https://www.mext.go.jp/b_menu/boshu/detail/mext_00333.html?fbclid=IwAR3J5pzJIMf10By4zCHz2lV6opjcjmFaQimKY9_J8_QFXy4chP9zIR–uJw
 
 

第15回「学際計算科学による新たな知の発見・統合・創出」シンポジウム(要事前登録)

CCS International Symposium 2023

開催案内 [ →english]

主催 筑波大学 計算科学研究センター
日時 2023年10月2日(月)、3日(火) 14:00~17:00
会場 つくば国際会議場 中ホール300 
(オンライン配信あり *オンラインからの質疑を受け付ける予定はありません)
懇親会 10月3日(火)18:00〜 ホテルグランド東雲
参加費 シンポジウム 参加無料、懇親会 7,000円 
参加登録 事前登録 (2023年9月22日締切)
問い合わせ シンポジウム問い合わせ窓口
ccssympo2023[at]ccs.tsukuba.ac.jp
スパム防止のためアットマークを[at]と表示しています。
送信の際は[at]はアットマークに置き換えていただくようお願いいたします。

* 本シンポジウムは全て英語で行います。

プログラムおよび詳細については、こちらの英語ページをご覧ください。
https://www.ccs.tsukuba.ac.jp/sympo20231002en/

 

 

15th symposium on Discovery, Fusion, Creation of New Knowledge by Multidisciplinary Computational Sciences: Program of Parallel sessions

CCS International Symposium 2023 

Date and Venue  / Program / Registration  

Today, computational science is an indispensable research methodology in the basic and applied sciences and contributes significantly to the progress of a wide variety of scientific research fields. For multidisciplinary computational science based on the fusion of computational and computer sciences, frequent/regular opportunities for communication and collaboration are essential. The Center for Computational Sciences (CCS) at the University of Tsukuba aims to improve such collaborations between different research fields. In this symposium, plenary speakers in various fields of computational sciences will give us talks on research frontiers, comprehensible to researchers and graduate students in other fields. In 2010, the CCS was recognized under the Advanced Interdisciplinary Computational Science Collaboration Initiative (AISCI) by MEXT, and has since provided the use of its computational facilities to researchers nationwide as part of the Multidisciplinary Cooperative Research Program (MCRP). 


Date and Venue

Dates: 2 Oct. [Mon] 14:00 - 3 Oct. [Tue] 17:00
Venue: Epochal Tsukuba International Congress Center “Hall 300”
*Zoom streaming will also be available, but no questions will be accepted online.

 

 

 

 

 

 



Program

Oct. 2 (mon)      
14:00 – 14:15 Welcome address SHIGETA Yasuteru University of Tsukuba (Vice President and Executive Director for Research)
  Welcome address BOKU Taisuke University of Tsukuba
14:15 – 14:45 Statistical Mechanics Analysis for Biomolecular Functions YOSHIDA Norio Nagoya University
14:45 – 15:15 Integrating Machine Learning into Lattice QCD TOMIYA Akio International Professional University of Technology in Osaka
15:15 – 15:50 Break    
15:50 – 16:20 Designing Virtual Reality Systems for the Externals Liwei Chan National Yang Ming Chiao Tung University
16:20 – 16:50 Super-early, massive galaxies seen by JWST: a change of paradigm? (online) Andrea Ferrara Scuola Normale Superiore
16:50 – 17:00 Group photo    
18:00 – 20:00 Reception    

 

Oct.3 (Tue)      
9:30 – 10:00 Observational and Numerical Studies on Urban Thermal Envrionment ASAWA Takashi Tokyo Institute of Technology
10:00 – 10:30 Generating nuclear reaction data by machine learning KIMURA Masaaki RIKEN
10:30 – 10:50 Break    
10:50 – 11:20 Quantum Materials Dynamics at the Nexus of Exascale Computing, Artificial Intelligence, and Quantum Computing Aiichiro Nakano Univ. of Southern California
11:20 – 11:50 To Draw is Human: Toward No-Code Subgraph Search Sourav S. Bhowmick Nanyang Technological University
11:50 – 13:20 Lunch Break    
13:20 – 14:50 Poster Session  
14:50 – 15:20 Status of the Feasibility Study for Next-Generation Supercomputing Infrastructures KONDO Masaaki Keio University / RIKEN R-CCS
15:20 – 15:50 Data and Computational Science driven by Persistent Memory Supercomputer Pegasus TATEBE Osamu University of Tsukuba

Registration

The registration form is closed. (Registration is free, and the reception fee will be 7,000 JPY. )
On-site registration is available.

Organizing Committee

AMAGASA Toshiyuki
Doan Quang Van
HARADA Ryuhei
INAGAKI Yuji
KAMEDA Yoshinari
KURAMASHI Yoshinobu
NAKATSUKASA Takashi
NUKADA Akira
OHNO Hiroshi
SATO A. Shunsuke
YAJIMA Hidenobu

Advisory member:
BOKU Taisuke
NAKATSUKASA Takashi

Contact: ccssympo2023[at]ccs.tsukuba.ac.jp

CCS HPCサマーセミナー2023

開催主旨

計算科学を支える大規模シミュレーション,超高速数値処理のためのスーパーコンピュータの主力プラットフォームはクラスタ型の並列計算機となってきました.ところが,大規模なクラスタ型並列計算機は,高い理論ピーク性能を示す一方で,実際のアプリケーションを高速に実行することは容易なことではありません.

本セミナーはそのようなクラスタ型並列計算機の高い性能を十二分に活用するために必要な知識,プログラミングを学ぶことを目的としています.超高速数値処理を必要とする大学院生が主な対象ですが,興味をお持ちの方はどなたでもご参加下さい.

開催日時・会場

日程: 2023年9月5日 (火) – 9月6日 (水)
会場: 筑波大学計算科学研究センター(アクセス
    9月5日 (火):1階 ワークショップ室
    9月6日 (水):1階 会議室A

参加申し込み

参加申込: 参加申込を締め切りました。
締め切り: 2023年9月3日 (日)
定員: 40名程度
参加費: 無料
問い合わせ先: hpc-seminar [at] ccs.tsukuba.ac.jp

会場の都合により,参加定員を超えた場合,参加申込を早期に締め切らせて頂く場合があります.

プログラム

  9月5日(火) 9月6日 (水)
09:00 – 10:30 並列処理の基礎 並列数値アルゴリズムI
10:45 – 12:15 並列システム 並列数値アルゴリズムII
13:30 – 15:00 OpenMP 最適化I
15:15 – 16:45 MPI 最適化II

セミナー内容

  セミナー名 セミナー内容 講師
1 並列処理の基礎 アムダールの法則,並列化手法(EP,データ並列,パイプライン並列),通信,同期,並列化効率,負荷バランスなど並列処理に関する基礎事項を学ぶ. 朴 泰祐
2 並列システム SMP,NUMA,クラスタ,グリッドなどの並列計算機システムと,並列計算機システムの性能に大きく関わる事項(メモリ階層,メモリバンド幅,ネットワーク,通信バンド幅,遅延など)を学ぶ. 小林 諒平
3 OpenMP 並列プログラミングモデル,並列プログラミング言語OpenMPを学ぶ. 額田 彰
4 MPI 標準メッセージパッシングインターフェースMPIによる並列プログラミングを学ぶ. 藤田 典久
5 並列数値アルゴリズムI 代表的な並列数値アルゴリズムである連立一次方程式の解法を学ぶ. 多田野 寛人
6 並列数値アルゴリズムII 代表的な並列数値アルゴリズムである高速フーリエ変換(FFT)を学ぶ. 高橋 大介
7 最適化I 並列計算機システムの計算ノード単体におけるプログラムの最適化手法(レジスタブロック,キャッシュブロック,メモリ割当など)と性能評価に関して学ぶ. 高橋 大介
8 最適化II 並列計算機システム全体における並列プログラムの最適化手法と性能評価に関して学ぶ. 建部 修見

本セミナーを授業として受講する方へ(筑波大生向け)

本セミナーは,筑波大学理工情報生命学術院共通専門基盤科目「計算科学のための高性能並列計算技術」と共通です. 本セミナーを授業として受講する方は,TWINS で履修登録して下さい.このページからの参加申し込みは不要です.