Folding@home

出典しゅってん: フリー百科ひゃっか事典じてん『ウィキペディア（Wikipedia）』
Folding@home
作者さくしゃ ビジェイ・S・パンデ
開発元かいはつもと Pande Laboratory, ソニー, NVIDIA, ATI, Joseph Coffland, Cauldron Development[1]
初版しょはん 2000年ねん10月がつ1日にち (23年ねん前まえ) (2000-10-01)
最新さいしん版ばん
7.6.21 / 2020年ねん10月がつ23日にち (3年ねん前まえ) (2020-10-23)[2]
対応たいおうOS Microsoft Windows, macOS, Linux
プラットフォーム IA-32, x86-64, ARM
対応たいおう言語げんご 英語えいご
種別しゅべつ 分散ぶんさんコンピューティング
ライセンス プロプライエタリ [3]
公式こうしきサイト foldingathome.org
テンプレートを表示ひょうじ

Folding@home（フォールディング・アット・ホーム[4]、FAH、F@hとも呼よばれる）は、タンパク質たんぱくしつの動的どうてきなふるまいをシミュレートすることで、科学かがく者しゃが様々さまざまな疾患しっかんに対たいする新あたらしい治療ちりょう法ほうを開発かいはつできるよう支援しえんすることを目的もくてきとした分散ぶんさんコンピューティングプロジェクトである。

これにはタンパク質たんぱくしつのフォールディングやタンパク質たんぱくしつの動うごきのプロセスが含ふくまれており、ボランティアのパソコン上じょうで実行じっこうされる分子ぶんし動力どうりょく学がくシミュレーションに依存いぞんしている。Folding@homeは、2000年ねん10月がつ1日にちにビジェイ・パンデ教授きょうじゅの指揮しきのもと、スタンフォード大学だいがくで発足ほっそくした。2019年ねん以降いこうは、セントルイス・ワシントン大学だいがく医学部いがくぶに拠点きょてんを置おき、パンデ教授きょうじゅの元もと教おしえ子ごであるグレッグ・ボーマン博士はかせが指揮しきしている。

このプロジェクトは、分散ぶんさんコンピューティングや科学かがく研究けんきゅうを行おこなうために、グラフィックス処理しょり装置そうち（GPU）、中央ちゅうおう処理しょり装置そうち（CPU）、Raspberry PiのようなARMプロセッサを利用りようする。このプロジェクトでは、従来じゅうらいのコンピューティング手法しゅほうからパラダイムシフトした統計とうけい的てきシミュレーション手法しゅほうを採用さいようしている。クライアント・サーバモデルのネットワーク・アーキテクチャの一環いっかんとして、ボランティアのマシンはそれぞれシミュレーションの一部いちぶ（ワークユニット、WU）を受うけ取とり、計算けいさんにより完成かんせいさせ、プロジェクトのデータベースサーバに返かえし、そこでユニットが全体ぜんたいのシミュレーションにまとめられる。ボランティアは自分じぶんの貢献こうけん度どをウェブサイト「Folding@home」上じょうで確認かくにんすることができるため、参加さんかに競争心きょうそうしんを刺激しげきし、長期ちょうき的てきな貢献こうけんを促うながしている。

Folding@homeは、世界せかい最速さいそくの計算けいさん機きシステムの一ひとつである。COVID-19パンデミックの影響えいきょうでプロジェクトへの関心かんしんが高たかまる中なか、2020年ねん3月がつ下旬げじゅんには本ほんプロジェクトの演算えんざん能力のうりょくは約やく1.22 E(エクサ)FLOPS(フロップス)[5][6]、2020年ねん4月がつ中旬ちゅうじゅんには約やく2.43 EFLOPSを達成たっせいし[7][8][9]、世界せかい初はつのエクサフロップ・コンピューティング・システムとなり、TOP500の全ぜんスーパーコンピュータの合算がっさんを上回うわまわる能力のうりょくを獲得かくとくした。 研究けんきゅう者しゃは、計算けいさんコストのかかるタンパク質たんぱくしつの折おりたたみに関かんする原子げんしレベルのシミュレーションを、従来じゅうらいの数すう千せん倍ばいの長ながい時間じかんに渡わたって実行じっこうすることが可能かのうとなった。Pande Labは、2000年ねん10月がつ1日にちの発足ほっそく以来いらい、225の科学かがく研究けんきゅう論文ろんぶんを発表はっぴょうしてきた[10]。このプロジェクトのシミュレーション結果けっかは、実験じっけんの結果けっかとよく一致いっちしている。

背景はいけい[編集へんしゅう]

詳細しょうさいは「フォールディング」を参照さんしょう
折おり畳たたみ前まえと折おり畳たたみ後ごのタンパク質たんぱくしつ。不安定ふあんていなランダムコイル状態じょうたいで始はじまり、本来ほんらいの状態じょうたいの立体りったい配はい座ざで終おわる。

タンパク質たんぱくしつは、多おおくの生物せいぶつ学がく的てき機能きのうに不可欠ふかけつな構成こうせい要素ようそであり、生物せいぶつ細胞さいぼう内うちの事実じじつ上じょうすべてのプロセスに関与かんよしている。 タンパク質たんぱくしつは多おおくの場合ばあい、酵素こうそとして機能きのうし、細胞さいぼうのシグナル伝達でんたつ、分子ぶんし輸送ゆそう、細胞さいぼう周期しゅうきの制御せいぎょなどの生化学せいかがく反応はんのうを行おこなっている。 構造こうぞう要素ようそとして、いくつかのタンパク質たんぱくしつは、細胞さいぼうの骨格こっかくの一種いっしゅである抗体こうたいとして機能きのうし、他たのタンパク質たんぱくしつは免疫めんえきシステムに関与かんよしている。 タンパク質たんぱくしつがこれらの役割やくわりを果はたす前まえに、タンパク質たんぱくしつは機能きのう的てきな三さん次元じげん構造こうぞうに折おりたたまれなければならない。 このプロセスは、しばしば自然しぜん発生はっせい的てきに行おこなわれ、アミノ酸あみのさん配列はいれつ内ないの相互そうご作用さようやアミノ酸あみのさんとその周囲しゅういのアミノ酸あみのさんとの相互そうご作用さように依存いぞんする。 タンパク質たんぱくしつの折おり畳たたみ(フォールディング)は、タンパク質たんぱくしつの最もっともエネルギー的てきに有利ゆうりな構造こうぞう、すなわち天然てんねん状態じょうたい(立体りったい配はい座ざ)を見みつけるための探索たんさくによって推進すいしんされる。 このように、タンパク質たんぱくしつのフォールディングを理解りかいすることは、タンパク質たんぱくしつが何なにをしているのか、どのように機能きのうしているのかを理解りかいする上じょうで非常ひじょうに重要じゅうようであり、計算けいさん生物せいぶつ学がくの聖ひじり杯はいと考かんがえられてる。 フォールディングは、混雑こんざつした細胞さいぼう環境かんきょうの中なかで行おこなわれているにもかかわらず、通常つうじょうはスムーズに行おこなわれている。 しかし、タンパク質たんぱくしつの化学かがく的てき性質せいしつやその他たの要因よういんにより、タンパク質たんぱくしつが誤あやまって折おり畳たたまれ(ミスフォールディングと呼よばれる)、誤あやまった経路けいろで折おりたたまれてしまい、形かたちが崩くずれてしまうことがある。 誤あやまって折おり畳たたまれたタンパク質たんぱくしつを細胞さいぼうのメカニズムで破壊はかいしたり、再さいフォールディングしたりしない限かぎり、タンパク質たんぱくしつはその後ご凝集ぎょうしゅうし、様々さまざまな消耗しょうもう性せい疾患しっかんを引ひき起おこす可能かのう性せいがある。 これらのプロセスを研究けんきゅうする実験じっけん室しつでの実験じっけんは、範囲はんいや原子げんしレベルでの詳細しょうさいが限かぎられているため、科学かがく者しゃたちは、物理ぶつり学がくに基もとづいた計算けいさんモデルを使用しようして実験じっけんを補完ほかんし、タンパク質たんぱくしつのフォールディング、ミスフォールディング、凝集ぎょうしゅうのより完全かんぜんな全体ぜんたい像ぞうを提供ていきょうしようとしている。

タンパク質たんぱくしつの立体りったい配はい座ざやコンフィギュレーション空間くうかん（英語えいご版ばん）(タンパク質たんぱくしつが取とり得える形状けいじょうのセット)の複雑ふくざつさと計算けいさん能力のうりょくの限界げんかいから、全ぜん原子げんし分子ぶんし動力どうりょく学がくシミュレーションでは研究けんきゅうできるタイムスケールが大幅おおはばに制限せいげんされている。 ほとんどのタンパク質たんぱくしつは通常つうじょうミリ秒びょう単位たんいで折おりたたまれるのに対たいして、2010年ねん以前いぜんのシミュレーションではナノ秒びょうからマイクロ秒びょうのタイムスケールにしか到達とうたつできなかった。 タンパク質たんぱくしつのフォールディングのシミュレーションには、汎用はんようスーパーコンピュータが使用しようされてきたが、このようなシステムは本質ほんしつ的てきにコストが高たかく、多おおくの研究けんきゅうグループで共有きょうゆうされているのが一般いっぱん的てきであった。 さらに、動力どうりょく学がくモデルの計算けいさんは連続れんぞく的てきに行おこなわれるため、従来じゅうらいの分子ぶんしシミュレーションをこれらのアーキテクチャに強つよスケーリングすることは非常ひじょうに困難こんなんといえる(問題もんだいの大おおきさに対たいして多数たすうのプロセッサを適応てきおうすることが難むずかしくなる)。 さらに、タンパク質たんぱくしつの折おりたたみは確かく率りつ的てきなプロセス(すなわちランダム)であり、時間じかんの経過けいかとともに統計とうけい的てきに変化へんかする可能かのう性せいがあるため、折おりたたみプロセスを包括ほうかつ的てきに見みるために長時間ちょうじかんのシミュレーションを行おこなうことは計算けいさん的てきに困難こんなんであった。

Folding@homeでは、ここで図示ずししたようなマルコフ状態じょうたいモデルを使用しようして、タンパク質たんぱくしつが初期しょきのランダムにコイル状じょうに巻まかれた状態じょうたい(左ひだり)から本来ほんらいの3次元じげん構造こうぞう(右みぎ)へと凝縮ぎょうしゅくする際さいに起おこりうる形状けいじょうやフォールディング経路けいろをモデル化かしている。

タンパク質たんぱくしつのフォールディングは一いち度どに起おこるものではない。 その代かわりに、タンパク質たんぱくしつは、タンパク質たんぱくしつのエネルギー地形ちけいにおける局所きょくしょ的てきな熱ねつ力学りきがく的てき自由じゆうエネルギーの最小さいしょう値ちである様々さまざまな中なか間あいだ的てきな構造こうぞうの状態じょうたいで待機たいきしている間あいだに、フォールディングに時間じかんの大だい部分ぶぶんを費ついやしている(場合ばあいによっては96％近ちかく)。 適応てきおう的てきサンプリング（英語えいご版ばん）として知しられるプロセスを通つうじて、これらの立体りったい配はい座ざはFolding@homeによって、一連いちれんのシミュレーション軌道きどうの出発しゅっぱつ点てんとして使用しようされる。 シミュレーションがより多おおくの立体りったい配はい座ざを発見はっけんすると、それらの立体りったい配はい座ざから軌道きどうが再開さいかいされ、この周期しゅうき的てきなプロセスからマルコフ状態じょうたいモデル(MSM)が徐々じょじょに作成さくせいされる。 MSMは離散りさん時間じかん（英語えいご版ばん）マスター方程式ほうていしきモデルであり、生体せいたい分子ぶんしの構造こうぞうとエネルギーランドスケープを、異ことなる構造こうぞうとその間あいだの短みじかい遷移せんいの集合しゅうごうとして記述きじゅつする。 適応てきおうサンプリングマルコフ状態じょうたいモデル法ほうは、局所きょくしょ的てきなエネルギー最小さいしょう値ち自体じたいの内部ないぶでの計算けいさんを避さけることができるため、シミュレーションの効率こうりつを大幅おおはばに向上こうじょうさせ、短みじかい独立どくりつしたシミュレーション軌道きどうの統計とうけい的てき集約しゅうやくを可能かのうにするため、分散ぶんさんコンピューティング(GPUGRIDを含ふくむ)に適てきしている。 マルコフ状態じょうたいモデルの構築こうちくに要ようする時間じかんは、並列へいれつシミュレーションの実行じっこう回数かいすう、すなわち利用りよう可能かのうなプロセッサの数かずに反比例はんぴれいする。 い換いかえれば、線形せんけい並列へいれつ化かを実現じつげんし、全体ぜんたいの直列ちょくれつ計算けいさん時間じかんを約やく4桁けた短縮たんしゅくすることができる。 完成かんせいしたMSMには、タンパク質たんぱくしつの相あい空間くうかん(タンパク質たんぱくしつがとることのできるすべての立体りったい配はい座ざ)とその間あいだの遷移せんいのサンプル状態じょうたいが数すう万まん個こ含ふくまれている場合ばあいがある。 このモデルはフォールディングイベントとフォールディング順序じゅんじょ(すなわち経路けいろ)を示しめしており、研究けんきゅう者しゃは後あとで動力どうりょく学がく的てきクラスタリングを使用しようして、そうでなければ非常ひじょうに詳細しょうさいなモデルの粗あら視し化かされた表現ひょうげんを見みることができる。 これらのMSMを用もちいて、タンパク質たんぱくしつがどのようにして誤あやまって折おりたたまれるかを明あきらかにし、シミュレーションと実験じっけんを定量ていりょう的てきに比較ひかくすることができる。

2000年ねんから2010年ねんの間あいだに、Folding@homeが研究けんきゅうしてきたタンパク質たんぱくしつの長ながさは4倍ばいに増加ぞうかし、タンパク質たんぱくしつフォールディングシミュレーションのタイムスケールは6桁けたに増加ぞうかした。 2002年ねんには、Folding@homeはマルコフ状態じょうたいモデルを使用しようして数すうヶ月かげつ間あいだで約やく100万まんCPU日にち分ぶんのシミュレーションを行おこない、2011年ねんにはMSMの並列へいれつ化かを行おこない、合計ごうけい1000万まんCPU時間じかんの計算けいさんを必要ひつようとした。 2010年ねん1月がつには、Folding@homeはMSMを使用しようして、1.52ミリ秒びょうの間あいだに32残ざん基もとのNTL9タンパク質たんぱくしつがゆっくりと折おりたためる動力どうりょく学がくのシミュレーションを行おこなった。 このモデルは、実験じっけん的てきなフォールディング速度そくどの予測よそくと一致いっちするタイムスケールでありながら、以前いぜんに達成たっせいされたものよりも千せん倍ばいも長ながいものであった。 このモデルは、それぞれが2桁けたも短みじかい多数たすうの個別こべつの軌道きどうから構成こうせいされており、タンパク質たんぱくしつのエネルギー地形ちけいをこれまでにないレベルで詳細しょうさいに調しらべることができた。 2010年ねん、Folding@homeの研究けんきゅう者しゃであるグレッグ・ボーマン(Gregory Bowman)は、オープンソースのMSMBuilderソフトウェアの開発かいはつと理論りろんと実験じっけんの定量ていりょう的てきな一致いっちを達成たっせいしたことにより、米国べいこく化か学会がっかいからトーマス・クーン(Thomas Kuhn)パラダイムシフト賞しょうを受賞じゅしょうした。 彼かれの研究けんきゅうに対たいして、パンデ(Pande)は、「タンパク質たんぱくしつとRNAのフォールディングに関かんする最先端さいせんたんの理論りろんモデルを生うみ出だすために、分野ぶんやを定義ていぎし、分野ぶんやを変かえる計算けいさん手法しゅほうを開発かいはつした」として、2012年ねんにMichael and Kate Bárány Award for Young Investigatorsを、また、「アンサンブル測定そくていと単一たんいつ分子ぶんし測定そくていの両方りょうほうの意味いみの再さい検討けんとうを刺激しげきし、パンデの努力どりょくはシミュレーション方法ほうほう論ろんへの先駆せんく的てきな貢献こうけんとなった」として、2006年ねんにはIrving Sigal Young Investigator Awardを受賞じゅしょうしている。

生物せいぶつ医学いがく研究けんきゅうへの応おう用例ようれい[編集へんしゅう]

タンパク質たんぱくしつの誤あやまった折おり畳たたみ(ミスフォールディング)は、アルツハイマー病びょう、癌がん(がん)、クロイツフェルト・ヤコブ病びょう、嚢胞のうほう性せい線維せんい症しょう、ハンチントン病びょう、鎌かま状じょう赤血球せっけっきゅう性せい貧血ひんけつ、およびII型がた糖尿とうにょう病びょうを含ふくむ様々さまざまな疾患しっかんの原因げんいんとなり得える。 HIVやインフルエンザなどのウイルスによる細胞さいぼう感染かんせんには、細胞さいぼう膜まく上うえでのタンパク質たんぱくしつのフォールディング現象げんしょうも関与かんよしている。 タンパク質たんぱくしつのミスフォールディングがよりよく理解りかいされれば、タンパク質たんぱくしつのフォールディングを調節ちょうせつする細胞さいぼうの自然しぜんな能力のうりょくを増強ぞうきょうする治療ちりょう法ほうを開発かいはつすることができる。 このような治療ちりょう法ほうには、特定とくていのタンパク質たんぱくしつの産さん生せいを変化へんかさせたり、ミスフォールディングしたタンパク質たんぱくしつを破壊はかいしたり、あるいはフォールディングプロセスを補助ほじょするために人工じんこう分子ぶんしを使用しようすることが含ふくまれる。 計算けいさん分子ぶんしモデリングと実験じっけん解析かいせきの組くみ合あわせは、創そう薬やくの迅速じんそく化かやコスト削減さくげんなど、分子ぶんし医学いがくの未来みらいと合理ごうり的てきな医薬品いやくひん設計せっけい法ほうを根本こんぽん的てきに形作かたちづくる可能かのう性せいを秘ひめている。 Folding@homeの最初さいしょの5年間ねんかんの目標もくひょうは、フォールディングの理解りかいを前進ぜんしんさせることであったが、現在げんざいの目標もくひょうは、ミスフォールディングと関連かんれん疾患しっかん、特とくにアルツハイマー病びょうの理解りかいである。

Folding@home上じょうで実行じっこうされるシミュレーションは、実験じっけん室しつでの実験じっけんと併用へいようされるが、研究けんきゅう者しゃはこれらのシミュレーションを利用りようして、実験じっけん室しつ環境かんきょう(in vitro)でのフォールディングが、本来ほんらいの細胞さいぼう環境かんきょうでのフォールディングとどのように異ことなるのかを研究けんきゅうすることができる。 これは、実験じっけん的てきに観察かんさつすることが困難こんなんなフォールディングやミスフォールディング、そしてそれらと疾患しっかんとの関係かんけいを研究けんきゅうする上じょうで有利ゆうりである。 例たとえば、2011年ねんのFolding@homeでは、リボソーム出口いでぐちトンネル内ないでのタンパク質たんぱくしつのフォールディングをシミュレーションし、自然しぜんの閉とじ込こめや混雑こんざつがフォールディングプロセスにどのような影響えいきょうを与あたえるかを、科学かがく者しゃが理解りかいするのに役立やくだてた。 さらに、科学かがく者しゃは通常つうじょう、化学かがく的てき変性へんせい剤ざいを働はたらかせ、タンパク質たんぱくしつを安定あんていなネイティブ状態じょうたいからアンフォールド(展開てんかい)させている。 変性へんせい剤ざいがタンパク質たんぱくしつの再さいフォールディングにどのような影響えいきょうを与あたえるかは一般いっぱん的てきには知しられておらず、これらの変性へんせい状態じょうたいに、フォールディングの挙動きょどうに影響えいきょうを与あたえる可能かのう性せいのある残余ざんよ構造こうぞうが含ふくまれるかどうかを実験じっけん的てきに判断はんだんすることは困難こんなんである。 2010年ねんにFolding@homeは、GPUを使つかってプロテインL（英語えいご版ばん）の未みフォールディング状態じょうたいをシミュレーションし、実験じっけん結果けっかと強つよく一致いっちする崩壊ほうかい速度そくどを推定すいていした。

このプロジェクトから得えられた大だい規模きぼなデータセットは、要求ようきゅうに応おうじて他たの研究けんきゅう者しゃが自由じゆうに利用りようできるようになっており、Folding@homeのウェブサイトからアクセスできるものもある。 パンデ研究けんきゅう室しつは、Blue Geneスーパーコンピュータのような他ほかの分子ぶんし動力どうりょく学がくシステムと協力きょうりょくしており、Folding@homeの主要しゅようなソフトウェアを他たの研究けんきゅう者しゃと共有きょうゆうしていて、Folding@homeの恩恵おんけいを受うけたアルゴリズムが他たの科学かがく分野ぶんやに役立やくだつ可能かのう性せいがある。 2011年ねんには、Folding@homeのMSMやその他たの並列へいれつ化か手法しゅほうをベースに、大だい規模きぼなコンピュータクラスタやスーパーコンピュータ上うえでの分子ぶんしシミュレーションの効率こうりつとスケーリングを向上こうじょうさせることを目的もくてきとしたオープンソースのCopernicusソフトウェアをリリースした。 Folding@homeで得えられたすべての科学かがく的てき知見ちけんの要約ようやくは、発表はっぴょう後ごにFolding@homeのウェブサイトに掲載けいさいされる。

アルツハイマー病びょう[編集へんしゅう]

アルツハイマー病びょうは、脳のう内ないのアミロイドβべーたタンパク質たんぱくしつ断片だんぺんの凝集ぎょうしゅうと関連かんれんしている(右みぎ)。 研究けんきゅう者しゃたちは、Folding@homeを使つかって、この病気びょうきの原因げんいんをよりよく理解りかいするために、この凝集ぎょうしゅうプロセスをシミュレートした。

アルツハイマー病びょうは、高齢こうれい者しゃに多おおく発症はっしょうし、認知にんち症しょうの半数はんすう以上いじょうを占しめる難治なんじ性せいの神経しんけい変性へんせい疾患しっかんである。 正確せいかくな原因げんいんは不明ふめいだが、この病気びょうきはタンパク質たんぱくしつのミスフォールディング疾患しっかんとして同定どうていされている。 アルツハイマー病びょうは、アミロイドβべーたペプチド(Aβべーたと略りゃくす)が他たのAβべーたペプチドと一緒いっしょにミスフォールディングして凝集ぎょうしゅうすることによって引ひき起おこされる有毒ゆうどくな凝集ぎょうしゅう体たいと関連かんれんしている。 これらのAβべーた凝集ぎょうしゅう体たいは、アルツハイマー病びょうの病理びょうり学がく的てきマーカーである老人ろうじん斑まだら(神経しんけい突起とっき斑まだら))に成長せいちょうする。 これらの凝集ぎょうしゅう体たいは不ふ均一きんいつな性質せいしつを持もっているため、X線せん結晶けっしょう構造こうぞう解析かいせきや核かく磁気じき共鳴きょうめい(NMR)などの実験じっけん的てき手法しゅほうでは、その構造こうぞうの特徴とくちょうを明あきらかにすることが困難こんなんであった。 また、Aβべーた凝集ぎょうしゅう体たいの原子げんしシミュレーションは、その大おおきさと複雑ふくざつさから、計算けいさん量りょうが非常ひじょうに多おおくなる。

Aβべーた凝集ぎょうしゅうを防ふせぐことは、アルツハイマー病びょうの治療ちりょう薬やくを開発かいはつする上じょうで有望ゆうぼうな方法ほうほうであると、NaeemとFaziliは文献ぶんけん調査ちょうさ（英語えいご版ばん）で述のべている。 2008年ねん、Folding@homeは、数すう十じゅう秒びょう単位たんいの時間じかんスケールでAβべーた凝集ぎょうしゅうのダイナミクスを原子げんしレベルで詳細しょうさいにシミュレーションした。 これまでの研究けんきゅうでは、約やく10マイクロ秒びょうのシミュレーションしかできなかった。 Folding@homeは、これまでの研究けんきゅうよりも6桁けた長ながい時間じかんスケールでAβべーたのフォールディングをシミュレーションすることができた。 研究けんきゅう者しゃたちは、この研究けんきゅうの結果けっかを利用りようして、構造こうぞう内ないの分子ぶんし間あいだ相互そうご作用さようの主おもな原因げんいんとなるβべーたヘアピンを特定とくていした。 この研究けんきゅうは、パンデ研究けんきゅう室しつが将来しょうらいの凝集ぎょうしゅう研究けんきゅうのために、また凝集ぎょうしゅうプロセスを安定あんてい化かさせる可能かのう性せいのある小ちいさなペプチドを見みつけるための更さらなる研究けんきゅうのために準備じゅんびをするのに役立やくだった。

2008年ねん12月、Folding@homeは、Aβべーた凝集ぎょうしゅう体たいの毒性どくせいを阻害そがいすると思おもわれるいくつかの小ちいさな薬物やくぶつ候補こうほを発見はっけんした。 2010年ねんには、タンパク質たんぱくしつフォールディング機構きこうセンター(Center for Protein Folding Machinery)との緊密きんみつな協力きょうりょくのもと、これらの薬物やくぶつ候補こうほの生体せいたい組織そしきでの試験しけんが開始かいしされた。 2011年ねん、Folding@homeは、Aβべーたの凝集ぎょうしゅう体たい形成けいせいを安定あんてい化かさせると思おもわれるいくつかの変異へんいのシミュレーションを完成かんせいさせた。 これらの変異へんいは、病気びょうきの治療ちりょう薬やくの開発かいはつに役立やくだつ可能かのう性せいがあり、Aβべーたオリゴマーの核かく磁気じき共鳴きょうめい分光ぶんこう法ほうによる実験じっけん的てき研究けんきゅうに大おおきく貢献こうけんしている。 その年としの後半こうはん、Folding@homeは、様々さまざまな天然てんねん酵素こうそがAβべーたの構造こうぞうとフォールディングみにどのような影響えいきょうを与あたえるかを決定けっていするために、様々さまざまなAβべーたフラグメントのシミュレーションを開始かいしした。

ハンチントン病びょう[編集へんしゅう]

ハンチントン病びょうは、タンパク質たんぱくしつの折おり返かえしや凝集ぎょうしゅうを伴ともなう神経しんけい変性へんせい性せい遺伝いでん性せい疾患しっかんである。 ハンチントンタンパク質たんぱくしつ（英語えいご版ばん）のN末端まったんにあるグルタミンアミノ酸あみのさんの過剰かじょうな繰くり返かえしが凝集ぎょうしゅうを引ひき起おこし、その挙動きょどうは完全かんぜんには解明かいめいされていないが、本ほん疾患しっかんに伴ともなう認知にんち機能きのうの低下ていかにつながると考かんがえられている。 他たの凝集ぎょうしゅう体たいと同様どうように、その構造こうぞうを実験じっけん的てきに決定けっていすることは困難こんなんである。 科学かがく者しゃたちは、Folding@homeを用もちいて、ハンチントンタンパク質しつの凝集ぎょうしゅう体たいの構造こうぞうを研究けんきゅうし、凝集ぎょうしゅう体たいがどのように形成けいせいされるかを予測よそくし、凝集ぎょうしゅう体たいの形成けいせいを止とめるための合理ごうり的てきな医薬品いやくひん設計せっけい法ほうを支援しえんしている。 ハンチントンタンパク質しつのN17フラグメントは、この凝集ぎょうしゅうを促進そくしんし、いくつかのメカニズムが提案ていあんされているが、このプロセスにおける正確せいかくな役割やくわりはほとんど不明ふめいである。 Folding@homeは、このフラグメントと他たのフラグメントのシミュレーションを行おこない、疾患しっかんにおける役割やくわりを明あきらかにしてきた。2008年ねんからは、アルツハイマー病びょうの薬物やくぶつ設計せっけい法ほうをハンチントン病びょうに応用おうようしている。

がん(癌がん)[編集へんしゅう]

既知きちのがんの半分はんぶん以上いじょうは、細胞さいぼう周期しゅうきを制御せいぎょし、DNAが損傷そんしょうした場合ばあいに細胞さいぼう死しのシグナルを出だす、すべての細胞さいぼうに存在そんざいするがん抑制よくせいタンパク質たんぱくしつであるp53の突然変異とつぜんへんいが関与かんよしている。 p53の特定とくていの変異へんいは、これらの機能きのうを破壊はかいし、異常いじょうな細胞さいぼうの成長せいちょうを抑制よくせいせずに継続けいぞくさせ、結果けっかとして腫瘍しゅようを発生はっせいさせる。 これらの突然変異とつぜんへんいの解析かいせきは、p53関連かんれんの癌がんの根本こんぽん原因げんいんを説明せつめいするのに役立やくだつ。 2004年ねんには、Folding@homeを使用しようして、水みずの全ぜん原子げんしシミュレーションにおけるp53のタンパク質たんぱくしつ二に量りょう体からだのリフォールディングの最初さいしょの分子ぶんし動力どうりょく学がく研究けんきゅうを行おこなった。 このシミュレーションの結果けっかは実験じっけん結果けっかと一致いっちし、以前いぜんは得えられなかった二に量りょう体たいのリフォールディングについての洞察どうさつが得えられた。 これは、分散ぶんさん型がた計算けいさん機きプロジェクトによるがんに関かんする初はつの査読さどく付つき論文ろんぶんとなった。 翌年よくねん、Folding@homeは、特定とくていのタンパク質たんぱくしつの安定あんてい性せいに重要じゅうようなアミノ酸あみのさんを特定とくていする新あたらしい方法ほうほうを開発かいはつし、p53の変異へんいの研究けんきゅうに使用しようした。 この方法ほうほうは、がんを促進そくしんする突然変異とつぜんへんいを特定とくていすることに成功せいこうし、他たの方法ほうほうでは実験じっけん的てきに測定そくていすることができなかった特定とくていの突然変異とつぜんへんいの影響えいきょうを決定けっていすることができた。

Folding@homeは、高分子こうぶんしクラウディングした化学かがく的てきストレスの多おおい環境かんきょう下かで、他たのタンパク質たんぱくしつのフォールディングを助たすけることで、細胞さいぼうの生存せいぞんに不可欠ふかけつな役割やくわりを果はたす熱ねつショックタンパク質しつであるタンパク質たんぱくしつのシャペロンの研究けんきゅうにも使用しようされている。 急速きゅうそくに成長せいちょうする癌がん細胞さいぼうは特定とくていのシャペロンに依存いぞんしており、いくつかのシャペロンは化学かがく療法りょうほうの抵抗ていこう性せいに重要じゅうような役割やくわりを果はたしている。 これらの特定とくていのシャペロンを阻害そがいすることは、効率こうりつ的てきな化学かがく療法りょうほう薬くすりの開発かいはつや、がんの広ひろがりを抑おさえるための潜在せんざい的てきな作用さよう機き序じょと考かんがえられている。 パンデ研究けんきゅう室しつでは、Folding@homeを用もちいて、タンパク質たんぱくしつフォールディング機構きこうセンター(Center for Protein Folding Machinery)と緊密きんみつに連携れんけいし、がん細胞さいぼうに関与かんよするこれらのシャペロンを阻害そがいする薬剤やくざいを見みつけたいと考かんがえている。 また、研究けんきゅう者しゃたちは、Folding@homeを使つかって、Srcキナーゼ（英語えいご版ばん）という酵素こうそや、がんを含ふくむ多おおくの病気びょうきに関与かんよしている可能かのう性せいのある大おおきなタンパク質たんぱくしつであるエングレイルド（英語えいご版ばん）ホメオドメインの一部いちぶの形かたちなど、がんに関連かんれんする他ほかの分子ぶんしの研究けんきゅうにも取とり組くんでいる。 2011年ねん、Folding@homeは、がん細胞さいぼう表面ひょうめん受容じゅよう体たいに結合けつごうすることで、イメージングスキャンで癌腫がんしゅを識別しきべつすることができる小ちいさなノッティンタンパク質たんぱくしつEETIの動力どうりょく学がくのシミュレーションを開始かいしした。

インターロイキン2(IL-2)は、免疫めんえき系けいのT細胞さいぼうが病原びょうげん体たいや腫瘍しゅようを攻撃こうげきするのを助たすけるタンパク質たんぱくしつである。 しかし、肺はい水腫すいしゅなどの重じゅう篤あつしな副作用ふくさようのため、がん治療ちりょう薬やくとしての使用しようは制限せいげんされている。 IL-2はT細胞さいぼうとは異ことなる形かたちで肺はい細胞さいぼうに結合けつごうするため、この結合けつごう機構きこうの違ちがいを理解りかいすることが研究けんきゅうの課題かだいとなっている。 2012年ねんには、Folding@homeは、免疫めんえき系けいの役割やくわりに300倍ばい以上いじょうの効果こうかがありながら、副作用ふくさようが少すくない変異へんい型がたのIL-2の発見はっけんを支援しえんした。 実験じっけんでは、この変異へんい型がたのIL-2は、腫瘍しゅようの成長せいちょうを阻害そがいするという点てんで、天然てんねんのIL-2よりも有意ゆういに優すぐれていた。 製薬せいやく会社かいしゃはこの変異へんい体たい分子ぶんしに関心かんしんを示しめしており、アメリカ国立こくりつ衛生えいせい研究所けんきゅうじょは、治療ちりょう薬やくとしての開発かいはつを加速かそくさせるために、様々さまざまな腫瘍しゅようモデルを用もちいて試験しけんを行おこなっている。

不完全ふかんぜん骨こつ形成けいせい[編集へんしゅう]

骨ほね形成けいせい不全ふぜん症しょうは、脆性ぜいせい骨こつ疾患しっかんとして知しられており、致死ちし的てきになる可能かのう性せいのある不治ふちの遺伝いでん性せい骨こつ疾患しっかんである。 この病気びょうきの人ひとは、機能きのう的てきな結合けつごう骨こつ組織そしきを作つくることができない。 この疾患しっかんは、様々さまざまな構造こうぞう的てき役割やくわりを果はたし、哺乳類ほにゅうるいに最もっとも多おおく存在そんざいするタンパク質たんぱくしつであるI型がたコラーゲンの突然変異とつぜんへんいが最もっとも一般いっぱん的てきな原因げんいんとなっている。 この突然変異とつぜんへんいは、コラーゲンの三重みえらせん構造こうぞうの変形へんけいを引ひき起おこし、自然しぜんに破壊はかいされなければ、骨ほね組織そしきの異常いじょうや弱体じゃくたい化かを引ひき起おこす。 2005年ねん、Folding@homeは、それまでのシミュレーション手法しゅほうを改良かいりょうした新あたらしい量子力学りょうしりきがく的てき手法しゅほうをテストした。 研究けんきゅう者しゃは、Folding@homeをコラーゲンのフォールディングと折おりたたみのミスフォールディングの研究けんきゅうに使用しようしてきたが、アルツハイマー病びょうやハンチントン病びょうの研究けんきゅうと比較ひかくすると、この研究けんきゅうはパイロットプロジェクトとしての関心かんしんが高たかいようである。

ウイルス[編集へんしゅう]

Folding@homeは、インフルエンザやHIVなどの一部いちぶのウイルスが認識にんしきして生体せいたい細胞さいぼうに侵入しんにゅうするのを防ふせぐ研究けんきゅうを支援しえんしている。 2011年ねん、Folding@homeは、HIVの重要じゅうような構成こうせい要素ようそである酵素こうそRNase Hの動力どうりょく学がくのシミュレーションを開始かいしし、酵素こうそを不ふ活性かっせい化かする薬くすりの設計せっけいを試こころみた。 また、Folding@homeは、ウイルス感染かんせんと幅広はばひろい生物せいぶつ学がく的てき機能きのうに不可欠ふかけつなイベントである膜まく融合ゆうごう（英語えいご版ばん）の研究けんきゅうにも利用りようされている。 この融合ゆうごうには、ウイルス融合ゆうごうタンパク質たんぱくしつのコンフォメーション変化へんかとタンパク質たんぱくしつドッキング（英語えいご版ばん）が関与かんよしているが、融合ゆうごうの背後はいごにある正確せいかくな分子ぶんしメカニズムはほとんどわかっていない。 融合ゆうごう現象げんしょうは、数すう百ひゃくマイクロ秒びょうの間あいだに50万まん個こ以上いじょうの原子げんしが相互そうご作用さようすることもある。 このような複雑ふくざつさから、一般いっぱん的てきなコンピュータシミュレーションでは、数すう十じゅうナノ秒びょうの間あいだに約やく1万まん個この原子げんしが相互そうご作用さようすることになるが、これは数すう桁けたの違ちがいある。 膜まく融合ゆうごうのメカニズムを予測よそくするモデルの開発かいはつは、抗こうウイルス薬やくを用もちいてこのプロセスを標的ひょうてきにする方法ほうほうを科学かがく的てきに理解りかいするのに役立やくだつだろう。 2006年ねんには、マルコフ状態じょうたいモデルとFolding@homeネットワークを応用おうようして、融合ゆうごうの2つの経路けいろを発見はっけんし、その他たのメカニズムに関かんする知見ちけんを得えた。

2007年ねん、パンデ研究けんきゅう室しつは、小しょう胞として知しられる小しょう細胞さいぼうの詳細しょうさいなシミュレーションをFolding@homeで行おこなった後のち、融合ゆうごう中ちゅうの構造こうぞう変化へんかのトポロジーを測定そくていする新あたらしい計算けいさん方法ほうほうを導入どうにゅうした。 2009年ねんには、研究けんきゅう者しゃたちはFolding@homeを使つかって、ウイルスを宿主しゅくしゅ細胞さいぼうにくっつけ、ウイルスの侵入しんにゅうを助たすけるタンパク質たんぱくしつであるインフルエンザヘマグルチニン（英語えいご版ばん）の変異へんいを研究けんきゅうした。 ヘマグルチニンの変異へんいは、ヘマグルチニンが宿主しゅくしゅの細胞さいぼう表面ひょうめん受容じゅよう体たい分子ぶんしにどの程度ていどうまく結合けつごうするかに影響えいきょうを与あたえ、これによってウイルス株かぶが宿主しゅくしゅ生物せいぶつにどの程度ていど感染かんせんするかが決定けっていされる。 ヘマグルチニンの変異へんいの影響えいきょうに関かんする知識ちしきは、抗こうウイルス薬やくの開発かいはつに役立やくだつ。 2012年ねん現在げんざい、Folding@homeは、バージニア大学だいがくでの実験じっけん研究けんきゅうを補完ほかんしながら、ヘマグルチニンのフォールディングと相互そうご作用さようのシミュレーションを続つづけている。

2020年ねん3月がつ、Folding@homeは、治療ちりょう法ほうの発見はっけんやコロナウイルスのパンデミックについての詳細しょうさいな研究けんきゅうを行おこなっている世界中せかいじゅうの研究けんきゅう者しゃを支援しえんするプログラムを開始かいしした。 プロジェクトの第だい一いち段階だんかいでは、SARS-CoV-2ウイルス、および関連かんれんするSARS-CoVウイルスからの薬剤やくざい化か可能かのうなタンパク質たんぱくしつ標的ひょうてきをシミュレートしているが、これらについては、利用りよう可能かのうなデータが大幅おおはばに増加ぞうかしている。[11][12][13]

薬剤やくざい設計せっけい[編集へんしゅう]

薬物やくぶつは、標的ひょうてき分子ぶんし上じょうの特定とくていの位置いちに結合けつごうし、標的ひょうてきを無効むこうにしたり、コンフォメーション変化へんかを起おこしたりするなど、所望しょもうの変化へんかを引ひき起おこすことで機能きのうする。 理想りそう的てきには、薬物やくぶつは非常ひじょうに特異とくい的てきに作用さようし、他たの生物せいぶつ学がく的てき機能きのうを阻害そがいすることなく標的ひょうてきにのみ結合けつごうすることが望のぞましい。 しかし、2つの分子ぶんしがどこでどのように強固きょうこに結合けつごうするかを正確せいかくに決定けっていすることは困難こんなんである。 計算けいさん能力のうりょくに限界げんかいがあるため、現在げんざいのインシリコ(in silico)法ほうは通常つうじょう、正確せいかくさと速度そくどを両立りょうりつさせなければならない。 例たとえば、計算けいさんコストのかかる自由じゆうエネルギー計算けいさんの代かわりに、迅速じんそくなタンパク質たんぱくしつドッキング（英語えいご版ばん）を使用しようするなどである。 Folding@homeの計算けいさん性能せいのうにより、研究けんきゅう者しゃは両方りょうほうの方法ほうほうを使用しようし、その効率こうりつ性せいと信頼しんらい性せいを評価ひょうかすることができる。 コンピュータ支援しえん創そう薬やくは、創そう薬やくのスピードアップとコスト削減さくげんにつながる可能かのう性せいがある。 2010年ねん、Folding@homeは、MSMと自由じゆうエネルギー計算けいさんを用もちいて、X線せん結晶けっしょう構造こうぞう解析かいせきによって実験じっけん的てきに決定けっていされた結晶けっしょう構造こうぞうから、ヴィリン（英語えいご版ばん）タンパク質たんぱくしつのネイティブ状態じょうたいを1.8オングストローム(Å)の二乗にじょう平均へいきん平方根へいほうこん誤差ごさ(RMSD)以内いないで予測よそくした。 この精度せいどは、本質ほんしつ的てきに構造こうぞう化かされていないタンパク質たんぱくしつを含ふくむ、将来しょうらいのタンパク質たんぱくしつ構造こうぞう予測よそく手法しゅほうに意味いみを持もつ。 科学かがく者しゃたちは、Folding@homeを利用りようして、最後さいごの手段しゅだんの薬くすり（英語えいご版ばん）であるバンコマイシンや、ペニシリンなどの抗生こうせい物質ぶっしつを分解ぶんかいするβべーた-ラクタマーゼを研究けんきゅうすることで、薬剤やくざい耐たい性せいの研究けんきゅうを行おこなってきた。

化学かがく活性かっせいは、タンパク質たんぱくしつの活性かっせい部位ぶいに沿そって発生はっせいする。 従来じゅうらいの薬物やくぶつ設計せっけい法ほうでは、標的ひょうてきタンパク質たんぱくしつが1つの剛体ごうたい構造こうぞうに存在そんざいすると仮定かていして、この部位ぶいに強固きょうこに結合けつごうし、その活性かっせいを阻害そがいする。 しかし、このアプローチが有効ゆうこうに働はたらくのは、全ぜんタンパク質たんぱくしつの約やく15%に過すぎない。 タンパク質たんぱくしつにはアロステリックサイトが存在そんざいし、低てい分子ぶんしと結合けつごうすることでタンパク質たんぱくしつの構造こうぞうを変化へんかさせ、最終さいしゅう的てきにはタンパク質たんぱくしつの活性かっせいに影響えいきょうを与あたえる。 これらの部位ぶいは魅力みりょく的てきな創そう薬やく標的ひょうてきであるが、その位置いちを特定とくていするには非常ひじょうに計算けいさんコストがかかる。 2012年ねんには、Folding@homeとMSMを用もちいて、βべーた-ラクタマーゼ、インターロイキン-2、RNase Hの3つの医学いがく的てきに関連かんれんのあるタンパク質たんぱくしつのアロステリックサイトを同定どうていした。

既知きちの抗生こうせい物質ぶっしつの約やく半分はんぶんは、細菌さいきんのリボソームの働はたらきを阻害そがいするもので、メッセンジャーRNAをタンパク質たんぱくしつに翻訳ほんやくすることでタンパク質たんぱくしつの生なま合成ごうせいを行おこなう、大おおきくて複雑ふくざつな生化学せいかがく的てき機械きかいである。 マクロライド系けい抗生こうせい物質ぶっしつはリボソーム出口でぐちトンネルを塞ふさぎ、細菌さいきんの必須ひっすタンパク質たんぱくしつの合成ごうせいを妨さまたげる。 2007年ねん、パンデ研究けんきゅう室しつは、新あたらしい抗生こうせい物質ぶっしつの研究けんきゅうと設計せっけいのための助成じょせい金きんを受うけた。 2008年ねんには、Folding@homeを使つかって、このトンネルの内部ないぶと、特定とくていの分子ぶんしがどのように影響えいきょうするかを研究けんきゅうした。 リボソームの完全かんぜんな構造こうぞうは2011年ねんの時点じてんで決定けっていされており、Folding@homeでは、リボソームタンパク質しつ（英語えいご版ばん）の機能きのうの多おおくがほとんど解明かいめいされていないため、リボソームタンパク質しつのシミュレーションも行おこなっている。

市民しみん科学かがく者しゃによる貢献こうけん[編集へんしゅう]

参加さんかパターン[編集へんしゅう]

他たの分散ぶんさんコンピューティングプロジェクトと同様どうように、Folding@homeはオンライン市民しみん科学かがくプロジェクトである。 こうしたプロジェクトでは、専門せんもん家かではない人々ひとびとがコンピュータ処理しょり能力のうりょくを提供ていきょうしたり、プロの科学かがく者しゃが作成さくせいしたデータの分析ぶんせきを手伝てつだったりする。 参加さんか者しゃはほとんど、あるいは明あきらかな報酬ほうしゅうを受うけ取とらない。

市民しみん科学かがく者しゃの動機どうきについての研究けんきゅうが行おこなわれてきたが、これらの研究けんきゅうのほとんどは、参加さんか者しゃが利他りた的てきな理由りゆうから参加さんかする動機どうきを持もっていることを発見はっけんしている。[14][15][16][17] つまり、科学かがく者しゃを助たすけたい、研究けんきゅうの発展はってんに貢献こうけんしたいと考かんがえていることがわかった。 市民しみん科学かがくの参加さんか者しゃの多おおくは、研究けんきゅうのテーマに根底こんていにある興味きょうみを持もち、自分じぶんの興味きょうみのある分野ぶんやのプロジェクトへと引ひき寄よせられていく。

Folding@homeもその点てんでは変かわりはなく、最近さいきん(2018)、400人にん以上いじょうの参加さんか者しゃを対象たいしょうに行おこなわれた調査ちょうさでは、研究けんきゅうに貢献こうけんしたいと考かんがえていること、また、多おおくの参加さんか者しゃには、Folding@homeの科学かがく者しゃが調査ちょうさしている病気びょうきに罹患りかんした友人ゆうじんや親戚しんせきがいることが明あきらかになった。[18]

Folding@homeは、コンピュータハードウェアの愛好あいこう家か(「オーバークロッカー」と呼よばれることもある)の参加さんか者しゃを集あつめている。 これらのグループは、プロジェクトにかなりの専門せんもん知識ちしきをもたらし、高度こうどな処理しょり能力のうりょくを持もつコンピュータを構築こうちくすることができる。[19] 他たの分散ぶんさんコンピューティングプロジェクトでは、このようなタイプの参加さんか者しゃが集あつまり、プロジェクトは改造かいぞうされたコンピュータの性能せいのうをベンチマークするために使用しようされることが多おおく、この趣味しゅみのこのような側面そくめんは、プロジェクトの競争きょうそう的てきな性質せいしつによって対応たいおうされている。 個人こじんやチームは、誰だれが最もっとも多おおくのコンピュータ処理しょり装置そうち(CPU)を処理しょりできるかを競きそうことができる。

このFolding@homeに関かんする最新さいしんの研究けんきゅうでは、オンライングループのインタビューと民族みんぞく誌し的てき観察かんさつを行おこない、ハードウェア愛好あいこう家かのチームが、処理しょり出力しゅつりょくを最大さいだい化かするためのベストプラクティスを共有きょうゆうしながら一緒いっしょに作業さぎょうすることができることが示しめされた。 このようなチームは、言語げんごとオンライン文化ぶんかを共有きょうゆうし、実践じっせんコミュニティになることができる。 このような参加さんかパターンは、他たの分散ぶんさんコンピューティングプロジェクトでも観察かんさつされている。[20][21]

Folding@homeの参加さんか者しゃのもう一ひとつの重要じゅうような観察かんさつ点てんは、男性だんせいが多おおいことである。[18] これは他たの分散ぶんさん型がたプロジェクトでも観察かんさつされている。 さらに、参加さんか者しゃの多おおくはコンピュータやテクノロジーを使つかった仕事しごとやキャリアに従事じゅうじしている。[18][22][23]

Folding@homeの参加さんか者しゃ全員ぜんいんがハードウェアの愛好あいこう家かというわけではない。 多おおくの参加さんか者しゃは、改造かいぞうされていないマシンでプロジェクトのソフトウェアを実行じっこうし、競争きょうそう的てきに参加さんかしている。 Folding@homeには10万まん人にん以上いじょうの参加さんか者しゃがいる。 しかし、参加さんか者しゃのうち、どの程度ていどの割合わりあいがハードウェア愛好あいこう家かなのかを把握はあくすることは困難こんなんである。 しかし、プロジェクト管理かんり者しゃによれば、処理しょり能力のうりょくの面めんでは愛好あいこう家かコミュニティの貢献こうけん度どの方ほうが大おおきいと語かたっている。[24]

パフォーマンス[編集へんしゅう]

2004年ねん4月がつから2012年ねん10月がつまでのFolding@homeと最速さいそくスパコンの計算けいさん能力のうりょく。2007年ねん6月がつから2011年ねん6月がつまでの間あいだ、Folding@home(赤あか)はTOP500の最速さいそくスパコン(黒くろ)を上回うわまわっていたが、2011年ねん11月には京きょうに、2012年ねん6月がつにはBlue Gene/Qに追おい抜ぬかれた。

スーパーコンピュータのFLOPS性能せいのうは、従来じゅうらいのLINPACKベンチマークを実行じっこうすることで評価ひょうかされる。 この短期たんき的てきなテストでは、LINPACKがスーパーコンピュータのハードウェアに効率こうりつ的てきにマップされるため、実じつ世界せかいのタスクでの持続じぞく的てきなパフォーマンスを正確せいかくに反映はんえいすることは困難こんなんである。 コンピューティングシステムはアーキテクチャや設計せっけいが異ことなるため、直接ちょくせつ比較ひかくすることは困難こんなんである。 これにもかかわらず、FLOPSはスーパーコンピューティングで使用しようされる主要しゅような速度そくど指標しひょうであることに変かわりはない。[25][検証けんしょう用ようの引用いんよう文ぶんが必要ひつよう] 対照たいしょう的てきに、Folding@homeは、ワークユニット(作業さぎょう単位たんい)が完了かんりょうするのにかかる時間じかんを測定そくていすることで、実じつ経過けいか時間じかん（英語えいご版ばん）を使用しようしてFLOPSを決定けっていする。[26]

2007年ねん9月がつ16日にち、PlayStation 3の参加さんかもあり、Folding@homeプロジェクトは、ネイティブ 1ペタFLOPS(参考さんこう: エクサスケール・コンピューティング)を超こえる持続じぞく的てきな性能せいのうを正式せいしきに達成たっせいし、あらゆる種類しゅるいの計算けいさん機きシステムで初はじめての達成たっせいとなった。 当時とうじのTop500で最速さいそくのスパコンはBlueGene/Lで0.280ペタFLOPSであった。 翌年よくねんの2008年ねん5月がつ7日にちにはネイティブ 2ペタFLOPSを超こえる持続じぞく性能せいのうを達成たっせいし、2008年ねん8月がつにはネイティブ 3ペタFLOPS、2008年ねん9月がつ28日にちにはネイティブ 4ペタFLOPSのマイルストーンを達成たっせいした。 2009年ねん2月がつ18日にちには、Folding@home がネイティブペタFLOPS 5ペタFLOPSを達成たっせいし、この5つのレベルを達成たっせいした最初さいしょの計算けいさん機きプロジェクトとなった。 これに対たいして、2008年ねん11月の最速さいそくスーパーコンピュータはIBMのRoadrunnerで1.105ペタFLOPSであった。 2011年ねん11月がつ10日とおかのFolding@homeの性能せいのうは、6ネイティブペタFLOPSを超こえ、これはx86の8ペタFLOPS近ちかくに相当そうとうする。2013年ねん5月がつ中旬ちゅうじゅんには、Folding@homeは7ネイティブペタFLOPSを超こえ、14.87 x86ペタFLOPSに相当そうとうする。その後ご、6月21日にちには8ネイティブペタFLOPSを達成たっせいし、同年どうねん9月がつ9日にちには9ネイティブペタFLOPSを達成たっせい、17.9 x86 ペタFLOPSを達成たっせいした。2016年ねん5月がつ11日にち、Folding@homeは100 x86 ペタFLOPSの達成たっせいに向むけて動うごき出だしたと発表はっぴょうした。[27]

2020年ねんのコロナウイルスパンデミックによる意識いしきの高たかまりと、市民しみん科学かがく者しゃのプロジェクトへの参加さんかから、さらなる利用りようが拡大かくだいした。 2020年ねん3月がつ20日はつか、Folding@homeはTwitterを通つうじて、470ネイティブペタFLOPS以上いじょうで稼働かどうしていることを発表はっぴょうした(958 x86ペタFLOPSに相当そうとう)。[28] 同年どうねん3月がつ25日にちまでに768ペタFLOPS、つまり1.5 x86エクサFLOPSに達たっし、初はつのエクサFLOPコンピューティングシステムとなった[29]。

ポイント[編集へんしゅう]

他たの分散ぶんさんコンピューティングプロジェクトと同様どうように、Folding@home は、クレジットシステムを通つうじてプロジェクトへのユーザのコンピューティング貢献こうけん度どを定量ていりょう的てきに評価ひょうかする。 ポイントは、プロジェクトがリリースされる前まえに、そのプロジェクトからの1つ以上いじょうのワークユニット(作業さぎょう単位たんい)を公式こうしきのリファレンスマシン上じょうでベンチマークすることによって決定けっていされる。 各かくユーザは、すべてのワークユニットを完成かんせいさせた場合ばあいにこれらの基本きほんポイントを受うけ取とることができるが、秘密ひみつのパスキーを登録とうろくすることで、計算けいさんの難易なんい度どが高たかいユニットや科学かがく的てきな優先ゆうせん順位じゅんいが高たかいユニットを確実かくじつかつ迅速じんそくに完成かんせいさせた場合ばあいには、ワークユニットの成功せいこう率りつが80%を超こえることや、10個こ以上いじょうの有効ゆうこうなワークユニットを送信そうしんするなどの条件じょうけん[30]付つきでボーナスポイントを追加ついかで受うけ取とることができる。[注釈ちゅうしゃく 1] また、ユーザは複数ふくすうのマシン上じょうのクライアントからの作業さぎょうに対たいしてもクレジットを受うけ取とることができる。 このポイントシステムは、与あたえられたクレジットと科学かがく的てき結果けっかの価値かちを一致いっちさせる試こころみである。

ユーザは自分じぶんの貢献こうけんをチームに対たいして登録とうろくすることができ、メンバー全員ぜんいんのポイントを合算がっさんすることができる。 ユーザは自分じぶんのチームを立たち上あげることも、既存きそんのチームに参加さんかすることもできる。 場合ばあいによっては、チームは、インターネットフォーラムのようなコミュニティ主導しゅどうのヘルプや勧誘かんゆうの情報じょうほう源げんを持もつこともある。 ポイントは、プロジェクトのために最もっとも多おおくの計算けいさんをするために、個人こじんとチームの間あいだで友好ゆうこう的てきな競争きょうそうを促進そくしんすることができ、フォールディングコミュニティに利益りえきをもたらし、科学かがく研究けんきゅうを加速かそくさせることができる。 個人こじんとチームの統計とうけいは、Folding@home のウェブサイトに掲載けいさいされる。

ユーザが新あたらしいチームを結成けっせいしなかったり、既存きそんのチームに参加さんかしなかったりすると、そのユーザは自動的じどうてきに「デフォルト」チームのメンバーになる。 この「デフォルト」チームのチーム番号ばんごうは「0」で、統計とうけい情報じょうほうは、この「デフォルト」チームとして特別とくべつに命名めいめいされたチームのために蓄積ちくせきされる。

ソフトウェア[編集へんしゅう]

ユーザー側がわのFolding@homeソフトウェアは、ワークユニット、コア、クライアントという3つの主要しゅようなコンポーネントから構成こうせいされている。

ワークユニット[編集へんしゅう]

ワークユニット(Work units, 作業さぎょう単位たんい)とは、クライアントに処理しょりを依頼いらいするタンパク質たんぱくしつデータのことである。 作業さぎょう単位たんいは、マルコフモデル（英語えいご版ばん）における状態じょうたい間あいだのシミュレーションの断片だんぺんである。 ワークユニットがダウンロードされ、ボランティアのコンピュータで完全かんぜんに処理しょりされた後のち、それはFolding@homeのサーバーに戻もどされ、ボランティアにクレジットポイントが与あたえられる。 このサイクルは自動的じどうてきに繰くり返かえされる。 すべてのワークユニットには期限きげんがあり、この期限きげんを超こえた場合ばあい、ユーザーはクレジットを取得しゅとくできず、自動的じどうてきに別べつの参加さんか者しゃに再さい発行はっこうされる。 タンパク質たんぱくしつのフォールディングは連続れんぞく的てきに行おこなわれ、多おおくのワークユニットは前任ぜんにん者しゃから生成せいせいされるため、妥当だとうな期間きかんが経過けいかしてもワークユニットが返却へんきゃくされない場合ばあいは、シミュレーションプロセス全体ぜんたいが正常せいじょうに進行しんこうするようになっている。 これらの期限きげんの関係かんけい上じょう、Folding@homeの最小さいしょうシステム要件ようけんは、Pentium III 450 MHz CPUとStreaming SIMD Extensions(SSE)である。 しかし、高性能こうせいのうクライアント用ようのワークユニットは、単一たんいつプロセッサクライアント用ようのワークユニットよりもはるかに短みじかい期限きげんが設定せっていされており、それは科学かがく的てき利益りえきの大だい部分ぶぶんがシミュレーションを迅速じんそくに完了かんりょうすることに依存いぞんしているためである。

一般いっぱん公開こうかい前まえに、ワークユニットはいくつかの品質ひんしつ保証ほしょう段階だんかいを経へて、問題もんだいのあるものが完全かんぜんに利用りよう可能かのうにならないようにする。 これらのテスト段階だんかいには、Folding@home全体ぜんたいでの最終さいしゅう的てきな完全かんぜんリリースの前まえに、内部ないぶテスト、ベータテスト、および高度こうどテストが含ふくまれる。 Folding@homeのワークユニットは、処理しょり中ちゅうにまれにエラーが発生はっせいする場合ばあいを除のぞき、通常つうじょう、一いち度どだけ処理しょりされる。 もしこれが3人にんの異ことなるユーザに発生はっせいした場合ばあい、そのユニットは自動的じどうてきに配布はいふから除去じょきょされる。 Folding@homeサポートフォーラムは、問題もんだいのあるハードウェアに起因きいんする問題もんだいと不良ふりょうのワークユニットに起因きいんする問題もんだいを区別くべつするために使用しようすることができる。

コア[編集へんしゅう]

詳細しょうさいは「Folding@homeコアのリスト」を参照さんしょう

「FahCores(ファーコア)」と呼よばれ、しばしば「Core(コア)」と略りゃくされる特殊とくしゅな分子ぶんし動力どうりょく学がくプログラムは、バックグラウンドプロセスとしてワークユニット上じょうで計算けいさんを実行じっこうする。 Folding@homeのコアの大だい部分ぶぶんは、手動しゅどうで最適さいてき化かされたアセンブリ言語げんごコードとハードウェアの最適さいてき化かからなる、最もっとも高速こうそくで最もっとも一般いっぱん的てきな分子ぶんし動力どうりょく学がくソフトウェアパッケージの一ひとつであるGROMACSをベースにしている。 GROMACSはオープンソースのソフトウェアで、パンデ研究けんきゅう室しつとGROMACSの開発かいはつ者しゃとは協力きょうりょく関係かんけいを持もっているが、Folding@homeではデータの妥当だとう性せいを確保かくほするためにクローズドソースのライセンスを使用しようしている(すなわちソースコードを公開こうかいしていない)。 あまりアクティブではないコアには、ProtoMol(新あたらしいアルゴリズムのテストに向むく)とSHARPENがある。 かつてFolding@homeはAMBER、CPMD、Desmond、TINKERを使用しようしてきたが、これらのコアは引退いんたいしており、現役げんえきではなくなっている。 これらのコアの中なかには、周囲しゅういの溶媒ようばい(通常つうじょうは水みず)を原子げんし単位たんいでモデル化かする明示めいじ的てきな溶媒ようばい和わ計算けいさんを行おこなうものもあれば、溶媒ようばいを数学すうがく的てき連続れんぞく体たいとして扱あつかう暗黙あんもくの溶媒ようばい和わ計算けいさんを行おこなうものもある。 コアはクライアントから分離ぶんりされており、クライアントの更新こうしんを必要ひつようとせずに科学かがく的てき手法しゅほうを自動的じどうてきに更新こうしんできるようになっている。 コアは定期ていき的てきにアプリケーション・チェックポインティング（英語えいご版ばん）を作成さくせいし、中断ちゅうだんされても起動きどう時じにその時点じてんから作業さぎょうを再開さいかいできるようにしている。

クライアント[編集へんしゅう]

Fedora 25上じょうで実行じっこうするFolding@homeクライアント

Folding@homeの参加さんか者しゃは、パーソナルコンピュータにクライアントプログラムをインストールする。 ユーザは、バックグラウンドで他たのソフトウェアコンポーネントを管理かんりするクライアントと対話たいわする。 ユーザはクライアントを通つうじて、折おり畳たたみ処理しょりを一時いちじ停止ていししたり、イベントログを開ひらいたり、作業さぎょうの進捗しんちょく状じょう況きょうを確認かくにんしたり、個人こじんの統計とうけい情報じょうほうを表示ひょうじしたりすることができる。 コンピュータ・クライアントは、通常つうじょうのコンピュータの使用しように影響えいきょうを与あたえないように、非常ひじょうに低ひくい優先ゆうせん度どでバックグラウンドで継続けいぞく的てきに実行じっこうされ、アイドル処理しょり能力のうりょくを使用しようする。 CPUの最大さいだい使用しよう量りょうは、クライアントの設定せっていで調整ちょうせいできる。 クライアントは、Folding@homeサーバに接続せつぞくし、ワークユニットを取得しゅとくし、クライアントの設定せってい、オペレーティングシステム、および基礎きそとなるハードウェアアーキテクチャに適てきしたコアをダウンロードすることができる。 処理しょり後ご、ワークユニットは、Folding@homeサーバに戻もどされる。 コンピュータ・クライアントは、ユニプロセッサ・システムやマルチコア・プロセッサ・システム、グラフィックス・プロセッシング・ユニットに合あわせて調整ちょうせいされている。 各かくハードウェアアーキテクチャ（英語えいご版ばん）の多様たよう性せいと処理しょり性能せいのうにより、Folding@homeは、多おおくの種類しゅるいのシミュレーションをタイムリーに(数すう年ねんではなく数すう週間しゅうかんから数ヶ月すうかげつで)効率こうりつ的てきに完了かんりょうさせることができ、これは科学かがく的てき価値かちの高たかいものである。 これらのクライアントを組くみ合あわせることで、研究けんきゅう者しゃは、これまで計算けいさんで取とり組くむことが非ひ現実げんじつ的てきと考かんがえられていた生物せいぶつ医学いがく的てきな問題もんだいを研究けんきゅうすることが可能かのうになる。

プロのソフトウェア開発かいはつ者しゃは、クライアント側がわとサーバー側がわの両方りょうほうで、Folding@homeのコードの大だい部分ぶぶんを担当たんとうしている。 開発かいはつチームには、Nvidia、ATI、Sony、Cauldron Developmentのプログラマーが含ふくまれている。 クライアントは、Folding@homeの公式こうしきウェブサイトまたはその商用しょうようパートナーからのみダウンロードすることができ、Folding@homeのコンピュータファイルとのみやりとりする。 クライアントは、Folding@homeのデータサーバー(ポート8080、代替だいたいとして80を使用しよう)にデータをアップロードしたりダウンロードしたりし、通信つうしんは2048ビットのデジタル署名しょめいを使用しようして検証けんしょうされる。 クライアントのグラフィカル・ユーザー・インターフェース(GUI)はオープンソースであるが、クライアントはセキュリティと科学かがく的てき整合せいごう性せいを理由りゆうにプロプライエタリなソフトウェアである。

しかし、プロプライエタリなソフトウェアを使用しようすることのこの合理ごうり性せいは、ライセンスは遡及そきゅう的てきに法的ほうてきな領域りょういきで強制きょうせい力りょくを持もつことができるかもしれないが、実行じっこう可能かのうなバイナリファイルの改変かいへん(パッチ適用てきようとしても知しられる)を実質じっしつ的てきに防ふせぐことができないため、議論ぎろんの余地よちがある。 同様どうように、バイナリのみの配布はいふでは、インターネット経由けいゆでダウンロードされている間あいだの中ちゅう間あいだ者しゃ攻撃こうげきや[31]、第三者だいさんしゃによるバイナリの再さい配布はいふによって、バイナリ状態じょうたいのまま(つまりパッチを当あてられたまま)[32]、あるいは変更へんこう後ごのバイナリを逆ぎゃくコンパイル[33]して再さいコンパイルすることによって[34][35]、実行じっこうバイナリコードの悪意あくいのある変更へんこうを防ふせぐことができない。 このような変更へんこうは、バイナリファイルとトランスポートチャネルが署名しょめいされていて、受信じゅしん者しゃやシステムがデジタル署名しょめいを検証けんしょうできる場合ばあいには可能かのうであるが、必かならずしもそうとは限かぎらない。[36] いずれにしても、Folding@home の場合ばあい、クライアント・ソフトウェアによって処理しょりされる入力にゅうりょくデータと出力しゅつりょく結果けっかの両方りょうほうがデジタル署名しょめいされているので、作業さぎょうの完全かんぜん性せいは、クライアント・ソフトウェア自体じたいの完全かんぜん性せいから独立どくりつして検証けんしょうすることができる。

Folding@homeでは、ネットワークのためにCosmソフトウェアライブラリを使用しようしている。 Folding@homeは2000年ねん10月がつ1日にちに立たち上あげられ、生体せいたい分子ぶんしシステムを対象たいしょうとした最初さいしょの分散ぶんさんコンピューティングプロジェクトであった。 最初さいしょのクライアントはスクリーンセーバーで、コンピュータが使用しようされていないときに実行じっこうされた。 2004年ねんには、パンデ研究けんきゅう室しつはデビッド・P・アンダーソン（英語えいご版ばん）と共同きょうどうで、オープンソースのBOINCフレームワーク上じょうで補助ほじょ的てきなクライアントをテストした。 このクライアントは2005年ねん4月がつにクローズドベータ版ばんとしてリリースされたが、この方法ほうほうは実行じっこう不可能ふかのうとなり、2006年ねん6月がつに棚上たなあげされた。

グラフィックス・プロセッシング・ユニット[編集へんしゅう]

グラフィックス・プロセッシング・ユニット(Graphics Processing Units = GPU)の特殊とくしゅなハードウェアは、ビデオゲームなどの3Dグラフィックス・アプリケーションのレンダリングを高速こうそく化かするように設計せっけいされており、ある種しゅの計算けいさんではCPUを大幅おおはばに上回うわまわる性能せいのうを発揮はっきする。 GPUは、最もっとも強力きょうりょくで急速きゅうそくに成長せいちょうしているコンピューティングプラットフォームの1つであり、多おおくの科学かがく者しゃや研究けんきゅう者しゃは、グラフィックス・プロセッシング・ユニット上じょうでの汎用はんようコンピューティング(GPGPU)を追求ついきゅうしている。 しかし、GPUハードウェアは、グラフィックス以外いがいのタスクに使用しようするのは難むずかしく、通常つうじょう、大幅おおはばなアルゴリズムの再さい構築こうちくと、基礎きそとなるアーキテクチャの高度こうどな理解りかいを必要ひつようとする。 このようなカスタマイズは、ソフトウェア開発かいはつリソースが限かぎられている研究けんきゅう者しゃにとってはなおさら困難こんなんである。

Folding@homeでは、オープンソースのOpenMMライブラリを使用しようしている。 このライブラリは、2つのアプリケーション・プログラミング・インターフェース(API)レベルを持もつブリッジ設計せっけいパターンを使用しようして、分子ぶんしシミュレーション・ソフトウェアの基礎きそとなるハードウェア・アーキテクチャにインターフェースする。 OpenMMベースのGPUシミュレーションでは、ハードウェアの最適さいてき化かが追加ついかされたことで、大幅おおはばな変更へんこうは必要ひつようとせず、手作業てさぎょうでチューニングされたGPUコードとほぼ同等どうとうの性能せいのうを実現じつげんし、CPUの実装じっそうを大幅おおはばに上回うわまわる性能せいのうを発揮はっきする。

2010年ねん以前いぜんは、GPGPUコンシューマーグレードのハードウェアの計算けいさん信頼しんらい性せいはほとんど知しられておらず、GPUメモリに内蔵ないぞうされた誤あやまり検出けんしゅつと訂正ていせいがないことに関かんする状況じょうきょう証拠しょうこにより、信頼しんらい性せいの懸念けねんが生しょうじた。 2010年ねん、Folding@home ネットワーク上じょうの2万まん台だい以上いじょうのホストを対象たいしょうとした大だい規模きぼなGPU科学かがく的てき精度せいどテストでは、テストされたGPUの3分ぶんの2のメモリサブシステムでソフトエラー（英語えいご版ばん）が検出けんしゅつされた。 これらのエラーはボードアーキテクチャと強つよく相関そうかんしているが、ソフトウェア側がわのエラー検出けんしゅつなどのハードウェアの特性とくせいに注意ちゅういを払はらっている限かぎり、信頼しんらい性せいの高たかいGPUコンピューティングは大おおいに実現じつげん可能かのうであると結論けつろんづけている。

Folding@homeの第だい一いち世代せだいのGPUクライアント(GPU1)が2006年ねん10月がつ2日にちに公開こうかいされ、CPUベースのGROMACSと比較ひかくして、いくつかの計算けいさんで20～30倍ばいの高速こうそく化かを実現じつげんした。 これは、GPUが分散ぶんさんコンピューティングや主要しゅような分子ぶんし動力どうりょく学がく計算けいさんに使用しようされた初はじめての試こころみであった。 GPU1は研究けんきゅう者しゃにGPGPUソフトウェアの開発かいはつに関かんする重要じゅうような知識ちしきと経験けいけんを与あたえたが、2008年ねん4月がつ10日とおかにDirectXの科学かがく的てきな不正確ふせいかくさに対応たいおうして、第だい2世代せだいのクライアントであるGPU2に引ひき継つがれた。 GPU2の導入どうにゅう後ご、GPU1は6月がつ6日にちに正式せいしきに引退いんたいした。 GPU1に比くらべて、GPU2はより科学かがく的てきな信頼しんらい性せいと生産せいさん性せいが高たかく、ATIやCUDA対応たいおうのNvidia GPU上じょうで動作どうさし、より高度こうどなアルゴリズム、より大おおきなタンパク質たんぱくしつ、タンパク質たんぱくしつシミュレーションのリアルタイム可視かし化かをサポートしていた。 これに続つづき、2010年ねん5月がつ25日にちには第だい3世代せだいのFolding@homeのGPUクライアント(GPU3)がリリースされた。 GPU3は、GPU2との後方こうほう互換ごかん性せいを持もちながらも、より安定あんてい性せい、効率こうりつ性せい、柔軟じゅうなん性せいに優すぐれた科学かがく的てき能力のうりょくを持もち、OpenCLフレームワークの上うえにOpenMMを使用しようしていた。 これらのGPU3クライアントはオペレーティングシステムLinuxとmacOSをネイティブにはサポートしていなかったが、Nvidiaのグラフィックカードを搭載とうさいしたLinuxユーザーはWineソフトウェアアプリケーションを介かいしてGPU3を実行じっこうすることができた。 GPUは、Folding@homeのFLOPSの中なかで最もっとも強力きょうりょくなプラットフォームであることに変かわりはない。 2012年ねん11月がつ現在げんざい、GPUクライアントは、プロジェクト全体ぜんたいのx86 FLOPSスループットの87%を占しめている。

LinuxでのNvidiaとAMDのグラフィックスカードのネイティブサポートは、CUDAではなくOpenCLを使用しようするFahCore 17で導入どうにゅうされた。

PlayStation 3[編集へんしゅう]

詳細しょうさいは「 Life with PlayStation（英語えいご版ばん） 」を参照さんしょう

2007年ねん3月がつから2012年ねん11月がつまで、Folding@homeはPlayStation 3の計算けいさん能力のうりょくを利用りようしていた。 その開始かいし時じにおいて、メインのストリーミングCellプロセッサ(Cell Broadband Engine)は、いくつかの計算けいさんでPCの20倍ばいの速度そくどを実現じつげんし、Xbox 360のような他ほかのシステムにはない処理しょり能力のうりょくを発揮はっきしていた。 PS3 の高速こうそく性せいと効率こうりつ性せいは、アムダールの法則ほうそくに基もとづいて最適さいてき化かする価値かちのある他ほかの機会きかいをもたらし、計算けいさん効率こうりつと全体ぜんたい的てきな精度せいどの間あいだのトレードオフを大おおきく変かえ、より複雑ふくざつな分子ぶんしモデルをわずかな計算けいさんコストで使用しようできるようにした。 これにより Folding@homeは、他たの方法ほうほうでは計算けいさん上じょう不可能ふかのうであった生物せいぶつ医学いがく的てきな計算けいさんを実行じっこうできた。

PS3クライアントは、ソニーとパンデ研究けんきゅう室しつの共同きょうどう開発かいはつにより開発かいはつされ、2007年ねん3月がつ23日にちにスタンドアロンのクライアントとしてリリースされた。 このリリースにより、「Folding@home」は、PS3を利用りようした初はじめての分散ぶんさんコンピューティングプロジェクトとなった。 翌年よくねん2月がつ5日にちにはプロジェクト参加さんか者しゃが100万まん人にんを突破とっぱ[37]、9月18日にちには、PS3クライアントが「Life with PlayStation（英語えいご版ばん）」のチャネルに登場とうじょう、11月6日にちにはグッドデザイン賞しょう金賞きんしょうを受賞じゅしょうした[38][39]。導入どうにゅう当時とうじは、計算けいさんの種類しゅるいで言いえば、CPUの柔軟じゅうなん性せいとGPUの高速こうそく性せいの中間ちゅうかんに位置いちしていた。 ただし、パソコン上うえで動作どうさするクライアントとは異ことなり、「Folding@home」を起動きどうしたPS3では他たの操作そうさを行おこなうことができなかった。 PS3の統一とういつされたコンソール環境かんきょうは、テクニカルサポートを容易よういにし、「Folding@home」をより使つかいやすくした。 また、PS3にはGPUへのデータストリーミング機能きのうがあり、現在げんざいのタンパク質たんぱくしつの動力どうりょく学がくを原子げんしレベルでリアルタイムに可視かし化かするために使用しようされていた。

ソニーは、2012年ねん11月6日にち、「Life with PlayStation」で提供ていきょうしているPS3クライアント「Folding@home」およびその他たのサービスのサポートを終了しゅうりょうした。 Folding@home」は、5年ねん7ヶ月かげつ間あいだで1,500万まん人にん以上いじょうのユーザーが1億おく時間じかん以上いじょうの計算けいさん量りょうを提供ていきょうし、病気びょうきの研究けんきゅうに大おおきく貢献こうけんしてきた。 パンデ研究けんきゅう室しつとの話はなし合あいの結果けっか、ソニーはこのプロジェクトを終了しゅうりょうすることを決定けっていした。 パンデ氏しは、PlayStation 3のクライアントを、このプロジェクトにとって「ゲームチェンジャー」だと考かんがえていた。

マルチコア処理しょりクライアント[編集へんしゅう]

Folding@homeは、最新さいしんのマルチコア・プロセッサの並列へいれつ計算けいさん能力のうりょくを利用りようすることができ、複数ふくすうのCPUコアを同時どうじに使用しようすることで、シミュレーション全体ぜんたいをはるかに早はやく完了かんりょうさせることができる。 同おなじ時間じかんでより長ながいシミュレーション軌道きどうを実行じっこうし、また大だい規模きぼなシミュレーションを多おおくの別々べつべつのプロセッサに分散ぶんさんするという従来じゅうらいの困難こんなんを軽減けいげんするために、この方法ほうほうは科学かがく的てきにも価値かちのある方法ほうほうである。 Journal of Molecular Biology（英語えいご版ばん）誌しに掲載けいさいされた2007年ねんの論文ろんぶんでは、マルチコア処理しょりに依存いぞんすることで、実験じっけん的てきなフォールディングと一致いっちしたビリン・タンパク質たんぱくしつの一部いちぶのフォールディングを、シングルプロセッサクライアントで可能かのうなものよりも約やく10倍ばい長ながくシミュレーションしたと報告ほうこくされた。

2006年ねん11月、第だい一いち世代せだいの対称たいしょう型がたマルチプロセシング(SMP)クライアントがオープンベータテスト用ように公開こうかいされ、これはSMP1と呼よばれた。 このクライアントは、並列へいれつ処理しょりにMessage Passing Interface(MPI)通信つうしんプロトコルを使用しようしていたが、当時とうじのGROMACSコアは複数ふくすうスレッドでの使用しようを想定そうていしていなかった。 分散ぶんさんコンピューティングプロジェクトでMPIを使用しようした初はじめての試こころみであった。 クライアントはLinuxやmacOSなどのUnixベースのOSでは問題もんだいなく動作どうさしたものの、Windowsでは問題もんだいがあった。 2010年ねん1月がつ24日にち、SMPクライアントの第だい二に世代せだいであり、SMP1の後継こうけいとなるSMP2がオープンベータとしてリリースされ、複雑ふくざつなMPIは、より信頼しんらい性せいの高たかいスレッドベースの実装じっそうに置おき換かえられた。

SMP2は、異常いじょうに大おおきく、計算けいさん集約しゅうやく的てきで、科学かがく的てき優先ゆうせん度どが非常ひじょうに高たかいタンパク質たんぱくしつをシミュレートするように設計せっけいされた、Big Advanced(bigadvまたはBAとも)ワークユニットの特別とくべつなカテゴリのトライアルをサポートしていた。 これらのユニットは、もともと最低さいてい8個このCPUコアを必要ひつようとしていたが、2012年ねん2月がつ7日にちに16個このCPUコアに引ひき上あげられた。 標準ひょうじゅん的てきなSMP2ワークユニットよりもハードウェア要件ようけんが増ふえたことに加くわえて、ランダム・アクセス・メモリ(RAM)やインターネットの帯域たいいき幅はばなどのシステムリソースが必要ひつようとなった。 その見返みかえりとして、これらを実行じっこうするユーザは、SMP2のボーナスポイントシステム以上いじょうの20％高たかい報酬ほうしゅうが与あたえられた。 bigadvカテゴリでは、以前いぜんはスーパーコンピュータのクラスタを使用しようしなければならず、Folding@home上じょうでは他たのどこでも実行じっこうできなかったような、特とくに要求ようきゅうの厳きびしいシミュレーションを長時間ちょうじかん実行じっこうすることができた。 ところが、bigadvユニットを実行じっこうできるハードウェアを持もっている多おおくのユーザは、後ごからCPUコアの最小さいしょう値ちが増加ぞうかした時ときに、そのハードウェアがbigadvワークユニットには不ふ適格てきかくとみなされ、通常つうじょうのSMPワークユニットしか実行じっこうできなくなってしまった。 このことはプログラムに多額たがくの資金しきんを投資とうしした多おおくのユーザーをいら立だたせ、bigadvの目的もくてきでハードウェアが使用しようできなくなってしまった。 その結果けっか、パンデは2014年ねん1月がつにbigadvプログラムを2015年ねん1月がつ31日にちに終了しゅうりょうすることを発表はっぴょうした。

V7クライアント[編集へんしゅう]

Windows 7上うえで実行じっこうされたノービスモードのV7クライアントのサンプル画面がめん。 V7では、さまざまなコントロールやユーザーの詳細しょうさいな情報じょうほうに加くわえて、その状態じょうたい、計算けいさん進捗しんちょく状じょう況きょう、ETA(終了しゅうりょうまでの予測よそく時間じかん)、クレジットポイント、識別しきべつ番号ばんごう、説明せつめいなどのワークユニットの情報じょうほうが表示ひょうじされた。

V7クライアントは、Folding@homeクライアントソフトの第だい7世代せだいとなる最新さいしん版ばんで、Windows、macOS、Linux OS用ようの以前いぜんのクライアントを全面ぜんめん的てきに書かき換かえ、統一とういつ化かしたものである。 2012年ねん3月がつ22日にちにリリースされたV7は、以前いぜんのクライアントと同様どうように、バックグラウンドでFolding@homeを非常ひじょうに低ひくい優先ゆうせん度どで動作どうささせることができ、他たのアプリケーションが必要ひつように応おうじてCPUリソースを使用しようできるようになっている。 それは、インストール、起動きどう、操作そうさが初心者しょしんしゃにとってよりユーザーフレンドリーになるように設計せっけいされており、以前いぜんのクライアントよりも研究けんきゅう者しゃに科学かがく的てきな柔軟じゅうなん性せいを提供ていきょうしている。 V7では、Tracを使用しようしてバグチケットを管理かんりし、ユーザが開発かいはつプロセスを見みてフィードバックを提供ていきょうできるようにしている。

V7は、マルチコアに対応たいおうした1個いっこのCPUスロットと、対応たいおうGPUごとにGPUスロットを設もうけ、複数ふくすうのCPUコアを利用りようするように設計せっけいされた。

V7は、4つの統合とうごうされた要素ようそから構成こうせいされている。 ユーザは通常つうじょう、FAHControlと名付なづけられたV7のオープンソースGUIを使用しようして操作そうさする。 これには、初心者しょしんしゃ向むけ、上級じょうきゅう者しゃ向むけ、およびエキスパート向むけのユーザ・インタフェースモードがあり、1台だいのコンピュータから多数たすうのリモート・フォールディング・クライアントを監視かんし、設定せってい、および制御せいぎょする機能きのうを備そなえている。 FAHControlは、各かくFAHSlot(単たんにスロットと呼よばれる)を管理かんりするFAHClientというバックエンドアプリケーションに対たいして指示しじをする。 各かくスロットは、単独たんどくでワークユニットのダウンロード、シミュレーション処理しょり、その結果けっかのアップロードを行おこなうことができる。 かつては別個べっこであった、Folding@home V6ユニプロセッサ版ばん、SMP版ばん、GPUコンピュータクライアントの代かわりとして機能きのうする。 そしてPS3のビューアを模もしたFAHViewerは、現在げんざい処理しょり中ちゅうのタンパク質たんぱくしつのリアルタイム3Dレンダリングを表示ひょうじする。

Google Chrome[編集へんしゅう]

2014年ねんには、Google ChromeとChromiumのWebブラウザ用ようのクライアントがリリースされ、ユーザがFolding@homeをWebブラウザで実行じっこうできるようになった。 このクライアントでは、ChromiumベースのWebブラウザに搭載とうさいされているGoogle Native Client(NaCl)機能きのうを利用りようして、ユーザーのマシン上じょうのサンドボックスでFolding@homeのコードをネイティブに近ちかい速度そくどで実行じっこうしていた。 NaClの段階だんかい的てきな廃止はいしとFolding@homeでの変更へんこうにより、Webクライアントは2019年ねん6月がつに恒久こうきゅう的てきにシャットダウンされた。

Android[編集へんしゅう]

2015年ねん7月がつ、Android 4.4 KitKat以降いこうを搭載とうさいした端末たんまつを対象たいしょうとしたAndroid携帯けいたい電話でんわ向むけのクライアントがGoogle Playで公開こうかいされた。 その後ご、2018年ねん2月がつ16日にち、ソニーと共同きょうどうで提供ていきょうしていたAndroidクライアントがGoogle Playから削除さくじょされた。将来しょうらい的てきにはオープンソースの代替だいたい版ばんを提供ていきょうする計画けいかくが発表はっぴょうされた。

他たの分子ぶんしシミュレータとの比較ひかく[編集へんしゅう]

Rosetta@home[編集へんしゅう]

Rosetta@homeは、タンパク質たんぱくしつの構造こうぞう予測よそくを目的もくてきとした分散ぶんさんコンピューティングプロジェクトであり、最もっとも正確せいかくな三さん次じ構造こうぞう予測よそくの一ひとつである。 Rosettaのソフトウェアから得えられる立体りったい配はい座ざ状態じょうたいを利用りようして、Folding@homeシミュレーションの出発しゅっぱつ点てんとしてマルコフ状態じょうたいモデルの初期しょき化かに利用りようすることができる。 逆ぎゃくに、(Rosettaの)構造こうぞう予測よそくアルゴリズムは、熱ねつ力学りきがく的てきモデルと運動うんどう論ろん的てきモデル、およびタンパク質たんぱくしつフォールディングシミュレーションのサンプリングの側面そくめんから改善かいぜんすることができる。 Rosettaは最終さいしゅう的てきなフォールディング状態じょうたいを予測よそくするだけで、どのようにフォールディングが進行しんこうするかを予測よそくするものではないため、Rosetta@homeとFolding@homeは補完ほかん的てきなものであり、全まったく異ことなる分子ぶんし問題もんだいに対応たいおうする。

Anton[編集へんしゅう]

Antonは分子ぶんし動力どうりょく学がくシミュレーションのために構築こうちくされた専用せんようのスーパーコンピュータである。 2011年ねん10月がつの時点じてんで、AntonとFolding@homeは2つの最もっとも強力きょうりょくな分子ぶんし動力どうりょく学がくシステムであった。 Antonは、2010年ねんにミリ秒びょう領域りょういきに達たっした単一たんいつの分子ぶんし軌道きどうのように、非常ひじょうに計算けいさんコストのかかる単一たんいつの(長ながい)分子ぶんし軌道きどうを生成せいせいする能力のうりょくにおいてユニークであった。 このような長ながい軌跡きせきは、いくつかのタイプの生化学せいかがく的てき問題もんだいに特とくに役立やくだつ。 しかし、Antonは解析かいせきにマルコフ状態じょうたいモデル(MSM)を使用しようしていない。 2011年ねん、パンデ研究けんきゅう室しつは、2つの100µsのAntonシミュレーションからMSMを構築こうちくし、Antonの従来じゅうらいの解析かいせきでは見みえなかった代替だいたいのフォールディング経路けいろを発見はっけんした。 その結果けっか、限かぎられた数かずの長ながい軌道きどうから構築こうちくされたMSMと、多おおくの短みじかい軌道きどうから構築こうちくされたMSMの間あいだには、ほとんど違ちがいがないと結論けつろんづけた。 2011年ねん6月がつ、Folding@homeは、Antonと比較ひかくした手法しゅほうをより適切てきせつに判断はんだんするために、Antonシミュレーションのサンプリングを追加ついかした。 ただし、Folding@homeの短みじかい軌道きどうが分散ぶんさんコンピューティングや他たの並列へいれつ化か手法しゅほうに適てきしているのとは異ことなり、長ながい軌道きどうはタンパク質たんぱくしつの位相いそう空間くうかんを十分じゅうぶんにサンプリングするために適応てきおう的てきサンプリングを必要ひつようとしない。 このため、Antonのシミュレーション手法しゅほうとFolding@homeのシミュレーション手法しゅほうを組くみ合あわせることで、この空間くうかんのより完全かんぜんなサンプリングが可能かのうになる可能かのう性せいがある。

歴史れきし[編集へんしゅう]

  • 2000年ねん10月がつ1日にち、プロジェクトを開始かいし。
  • 2007年ねん3月がつ22日にち、PlayStation 3（PS3）に対応たいおう[40]。3日にち後ごには700T（テラ）FLOPS以上いじょうの演算えんざん能力のうりょくを獲得かくとくし、従来じゅうらい1年ねん以上いじょうかかっていた複雑ふくざつなシミュレーションが数すう週間しゅうかんで完了かんりょうした[41]。
  • 2007年ねん9月がつ16日にち、分散ぶんさんコンピューティング史上しじょう初はつとなる1P（ペタ）FLOPSに到達とうたつ（1秒間びょうかんに1000兆ちょう回かいの演算えんざん能力のうりょく）。
  • 2007年ねん9月がつ24日にち、PS3クライアントのみの合計ごうけいで当時とうじのスーパーコンピュータの能力のうりょくに匹敵ひってきする1PFLOPSに到達とうたつ[42]。
  • 2007年ねん11月1日にち、世界一せかいいち強力きょうりょくな分散ぶんさんコンピューティングネットワークとしてギネス世界せかい記録きろくに認定にんてい[43][44]。
  • 2008年ねん11月9日にち現在げんざい、計けい4.247PFLOPS、うちGPUの処理しょり能力のうりょくは2.226PFLOPS、PS3による処理しょり能力のうりょくは1.733PFLOPS。
  • 2012年ねん3月がつ23日にち現在げんざい、計けい5.427PFLOPS。
  • 2012年ねん10月がつ22日にち、PS3クライアントの終了しゅうりょうを発表はっぴょう（2012年ねん11月6日にち終了しゅうりょう、延のべ1500万まん人にんのユーザーが参加さんかした）[45]。
  • 2015年ねん1月がつ13日にち、Android 4.4以上いじょう搭載とうさいのスマートフォン／タブレット向むけクライアントアプリをリリース。当初とうしょはXperiaシリーズのみ対応たいおう、のち条件じょうけんを満みたす他た機種きしゅにも対応たいおう。
  • 2016年ねん1月がつ6日にち現在げんざい、計けい80.79PFLOPS、うちGPUの処理しょり能力のうりょくは78PFLOPS（96％）。GPUはNVIDIAのFermiが8割わりを占しめる。
  • 2020年ねん2月がつ27日にち、新型しんがたコロナウイルス感染かんせん症しょう（COVID-19）に対たいする取とり組くみを発表はっぴょう[46]。
  • 2020年ねん3月がつ25日にち、分散ぶんさんコンピューティング史上しじょう初はつとなる1E（エクサ）FLOPS（1秒間びょうかんに100京きょう回かいの演算えんざん能力のうりょく）に到達とうたつ。
  • 2020年ねん4月がつ、2.4EFLOPS（毎秒まいびょう240京きょう回かい）到達とうたつ。これは世界せかいのTOP500の合計ごうけいを上回うわまわる能力のうりょく。

脚注きゃくちゅう[編集へんしゅう]

[脚注きゃくちゅうの使つかい方かた]

注釈ちゅうしゃく[編集へんしゅう]

  1. ^ ボーナスポイントが有効ゆうこうなのかは、Folding@home Bonus Statusページでユーザー名めいかパスキーを入力にゅうりょくすることで確認かくにんすることができる。

出典しゅってん[編集へんしゅう]

  1. ^ foldingathome.org (2016年ねん9月がつ27日にち). “About Folding@home Partners”. 2020年ねん4月がつ4日にち閲覧えつらん。
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外部がいぶリンク[編集へんしゅう]

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