蛋白質分子表面モチーフの抽出とその並列化実装

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  • タンパクシツ ブンシ ヒョウメン モチーフ ノ チュウシュツ ト ソノ ヘイレツカ ジッソウ
  • A Method for Extracting Protein Molecular Surface Motifs and Its Implementation on Parallel Computers

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抄録

蛋白質の機能に関連する特徴的な構造パターンはモチーフとして知られている．本論文では，蛋白質の機能に密接に関連した分子表面に着目して表面モチーフを定義し，これを抽出する方式SUMOMOを提案する．蛋白質分子表面の表現には，属性付き法線ベクトルを用いることにより，表面の物性に加え，窪み・突起といった大局的な構造の取扱いを可能とする．さらに，属性付き法線ベクトルのペアとしてモデル化した微小な表面（単位表面）を単位として，その逐次的結合処理を繰り返し実行することで，任意の形状・規模を持つ表面モチーフの抽出を実現している．実装にあたり，マスタ・ワーカモデルを用いた並列処理により，入力蛋白質の増加にともなうモチーフ抽出処理の計算量増加に対応した．マスタがワーカごとに処理する蛋白質を別々に割り当て，使用メモリの削減を図るとともに，抽出されるモチーフを管理する効率的な並列処理を実現した．5 種類の既知のモチーフを持つ18 個の蛋白質にSUMOMO を適用した結果，抽出された表面モチーフ中に5 つのモチーフがすべて含まれていた．1 台のマスタと5 台のワーカからなる並列SUMOMO を用いて30 個の蛋白質からモチーフ抽出を行った結果，約3.1 倍の処理速度向上となり，メモリ使用量は5 分の1 に削減できた．

A motif is known as a specific pattern of the local structure related to the function of proteins. In this paper, we introduce a surface motif focusing on the molecular surface that is strongly related to the function of proteins, and propose a method of extracting surface motifs named SUMOMO. Protein molecular surfaces are expressed by using normal vectors with attributes, which enable to express physical properties and an irregular surface perspectively. Merging small unit surfaces that consist of a pair of normal vectors with attributes, can create surface motifs with variable shape and size. SUMOMO is implemented on parallel computing environment using master-worker model in order to reduce processing time. In this implementation, the master allocates proteins upon which workers focus and manages extracting motifs. As a result of applying SUMOMO to eighteen proteins that have five known motifs, all known motifs are found out in extracted surface motifs. Processing time to extract surface motifs from thirty proteins by SUMOMO with one master and five workers was shortened by 33%, and the amount of memory used was reduced to 20%.

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