JP2002126497A - 化学反応シミュレーション装置および化学反応シミュレーション方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シミュレーションに使用する物質の種類が多
い場合でも、化学反応による物質の変化量を容易にシミ
ュレーションすることができるとともに、シミュレーシ
ョンの内容を容易に修正することができる化学反応シミ
ュレーション装置および化学反応シミュレーション方法
を提供する。 【解決手段】 乱数発生器Ｒ１〜Ｒｎおよび酵素カウン
タＫ１〜Ｋｎにより調整された反応速度に従い、反応実
行回路Ｈ１〜Ｈｎが化学反応前の各物質に対応する物質
カウンタＢ１〜Ｂｍのカウント値を減少させるととも
に、反応後の各物質に対応する物質カウンタＢ１〜Ｂｍ
のカウント値を増加させ、生化学反応による各物質の変
化量をシミュレーションする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化学反応による物
質の変化量をシミュレーションする化学反応シミュレー
ション装置および化学反応シミュレーション方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】生物の細胞内には、生化学反応に関係し
た物質の分子が約１０の１０乗個存在し、これらの物質
による生化学反応は、ネットワーク、例えば代謝経路を
形成し、各物質はこの代謝経路に従い、種々の物質に変
化していく。このような生化学反応をシミュレーション
する場合、物質の量の間に成り立つ微分方程式を求め、
この微分方程式を数値解法等により解くことによりシミ
ュレーションを行っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
数値解法等により微分方程式を解く方法では、物質の種
類が多くなると、計算が複雑となり、シミュレーション
が困難になるという問題があった。また、未知の生化学
反応が新たにわかった場合、病体等によりある生化学反
応が欠失している場合および野生種のために生化学反応
が通常と異なる場合には、シミュレーションの内容を修
正する必要があるが、上記の方法では、シミュレーショ
ンの内容を容易に修正することができないため、このよ
うな場合に容易に対処することができないという問題も
あった。

【０００４】本発明の目的は、シミュレーションに使用
する物質の種類が多い場合でも、化学反応による物質の
変化量を容易にシミュレーションすることができるとと
もに、シミュレーションの内容を容易に修正することが
できる化学反応シミュレーション装置および化学反応シ
ミュレーション方法を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段および発明の効果】（１）
第１の発明 第１の発明に係る化学反応シミュレーション装置は、化
学反応による物質の変化量をシミュレーションする化学
反応シミュレーション装置であって、各物質の数をカウ
ントし、各カウント値が各物質の数を表すカウント手段
と、化学反応の進行状態に応じて、カウント手段の化学
反応前の各物質のカウント値を減少させるとともに、カ
ウント手段の化学反応後の各物質のカウント値を増加さ
せる増加／減少手段とを備えるものである。

【０００６】本発明に係る化学反応シミュレーション装
置においては、化学反応の進行状態に応じて、カウント
値が物質の数を表すカウント手段の化学反応前の各物質
のカウント値が減少されるとともに、化学反応後の各物
質のカウント値が増加され、化学反応による各物質の変
化量がシミュレーションされる。

【０００７】このように、化学反応前後の各物質の量を
カウント値すなわち数（整数）として捉え、化学反応に
よる物質の変化量をシミュレーションしているので、カ
ウントする物質の数を増加するだけでシミュレーション
に使用する物質の種類を増加させることができる。ま
た、シミュレーションの内容を修正する場合、修正した
化学反応に応じて各物質のカウント値を増減するだけで
対処することができる。

【０００８】この結果、シミュレーションに使用する物
質の種類が多い場合でも、化学反応による物質の変化量
を容易にシミュレーションすることができるとともに、
シミュレーションに使用する化学反応を容易に修正する
ことができる。

【０００９】（２）第２の発明 第２の発明に係る化学反応シミュレーション装置は、第
１の発明に係る化学反応シミュレーション装置の構成に
おいて、カウント手段は、物質ごとに設けられ、カウン
ト値が物質の数を表す複数の物質カウント手段を含み、
増加／減少手段は、化学反応ごとに設けられ、化学反応
の進行状態に応じて、化学反応前の各物質の量を表す物
質カウント手段のカウント値を減少させるとともに、化
学反応後の各物質の量を表す物質カウント手段のカウン
ト値を増加させる複数の反応実行手段と、反応実行手段
の化学反応に応じて反応実行手段と物質カウント手段と
を接続する接続手段とを含むものである。

【００１０】この場合、カウント値が物質の数を表す物
質カウント手段が各物質ごとに設けられるとともに、複
数の反応実行手段が化学反応ごとに設けられ、反応実行
手段の化学反応に応じて反応実行手段と物質カウント手
段とが接続され、化学反応前の各物質の量を表す物質カ
ウント手段のカウント値が減少されるとともに、化学反
応後の各物質の量を表す物質カウント手段のカウント値
が増加される。このように、化学反応に応じて化学反応
前後の各物質の量を表すカウント値を増減することによ
り、化学反応による物質の変化量をシミュレーションす
ることができる。

【００１１】また、物質カウント手段の数を増加するだ
けでシミュレーションに使用する物質の種類を増加させ
ることができるとともに、反応実行手段の化学反応に応
じて反応実行手段と物質カウント手段との接続状態を変
更することにより、任意の化学反応を容易にシミュレー
ションすることができる。

【００１２】（３）第３の発明 第３の発明に係る化学反応シミュレーション装置は、第
２の発明に係る化学反応シミュレーション装置の構成に
おいて、増加／減少手段は、所定の乱数を発生させる乱
数発生手段をさらに含み、反応実行手段は、乱数発生手
段から出力される乱数に応じて化学反応前の各物質の量
を表す物質カウント手段のカウント値を減少させるとと
もに、化学反応後の各物質の量を表す物質カウント手段
のカウント値を増加させるものである。

【００１３】この場合、乱数発生手段から出力される乱
数に応じて化学反応前の各物質の量を表す物質カウント
手段のカウント値を減少させるとともに、化学反応後の
各物質の量を表す物質カウント手段のカウント値を増加
させているので、化学反応の反応速度を乱数により等価
的に表現することができ、化学反応間での反応速度の違
いを考慮したシミュレーションを行うことができる。

【００１４】（４）第４の発明 第４の発明に係る化学反応シミュレーション装置は、第
２または第３の発明に係る化学反応シミュレーション装
置の構成において、増加／減少手段は、化学反応に寄与
する触媒物質ごとに設けられ、カウント値が触媒物質の
数を表す複数の触媒カウント手段をさらに含み、反応実
行手段は、触媒カウント手段のカウント値に応じて化学
反応前の各物質の量を表す物質カウント手段のカウント
値を減少させるとともに、化学反応後の各物質の量を表
す物質カウント手段のカウント値を増加させるものであ
る。

【００１５】この場合、カウント値が触媒物質の数を表
す複数の触媒カウント手段が触媒物質ごとに設けられ、
触媒カウント手段のカウント値に応じて化学反応前の各
物質の量を表す物質カウント手段のカウント値が減少さ
れるとともに、化学反応後の各物質の量を表す物質カウ
ント手段のカウント値が増加される。このように、触媒
物質の量をカウント値すなわち数（整数）として捉え、
触媒による化学反応の反応速度に応じたシミュレーショ
ンを行うことができ、触媒による影響を考慮したシミュ
レーションを行うことができる。

【００１６】（５）第５の発明 第５の発明に係る化学反応シミュレーション方法は、化
学反応による物質の変化量をシミュレーションする化学
反応シミュレーション方法であって、各物質の数を初期
カウント値として設定するステップと、化学反応の進行
状態に応じて化学反応前の各物質のカウント値を減少さ
せるステップと、化学反応の進行状態に応じて化学反応
後の各物質のカウント値を増加させるステップとを含む
ものである。

【００１７】本発明に係る化学反応シミュレーション方
法においては、各物質の数が初期カウント値として設定
され、化学反応の進行状態に応じて化学反応前の各物質
のカウント値が減少されるとともに、化学反応の進行状
態に応じて化学反応後の各物質のカウント値が増加さ
れ、化学反応による各物質の変化量がシミュレーション
される。

【００１８】このように、化学反応前後の各物質の量を
カウント値すなわち数（整数）として捉え、化学反応に
よる物質の変化量をシミュレーションしているので、カ
ウントする物質の数を増加するだけでシミュレーション
に使用する物質の種類を増加させることができる。ま
た、シミュレーションの内容を修正する場合、修正した
化学反応に応じて各物質のカウント値を増減するだけで
対処することができる。

【００１９】この結果、シミュレーションに使用する物
質の種類が多い場合でも、化学反応による物質の変化量
を容易にシミュレーションすることができるとともに、
シミュレーションに使用する化学反応を容易に修正する
ことができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明による化学反応シミ
ュレーション装置の一例として、生化学反応をシミュレ
ーションし、シグナル伝達ネットワーク、遺伝子ネット
ワーク等の解明に好適に用いられる化学反応シミュレー
ション装置について図面を参照しながら説明する。図１
は、本発明の一実施の形態による化学反応シミュレーシ
ョン装置の構成を示すブロック図である。

【００２１】図１に示す化学反応シミュレーション装置
は、複数の乱数発生器Ｒ１〜Ｒｎ、複数の酵素カウンタ
Ｋ１〜Ｋｎ、複数の絞り回路Ｖ１〜Ｖｎ、複数の反応実
行回路Ｈ１〜Ｈｎ、複数の物質カウンタＢ１〜Ｂｍおよ
び接続切り換え回路ＳＷを備える。

【００２２】酵素カウンタＫ１〜Ｋｎ、絞り回路Ｖ１〜
Ｖｎおよび反応実行回路Ｈ１〜Ｈｎは、シミュレーショ
ンに使用される生化学反応ごとに設けられ、物質カウン
タＢ１〜Ｂｍは、シミュレーションに使用される物質ご
とに設けられる。

【００２３】乱数発生器Ｒ１は、絞り回路Ｖ１の入力側
に接続され、反応実行回路Ｈ１は、絞り回路Ｖ１の出力
側に接続され、酵素カウンタＫ１は、絞り回路Ｖ１に接
続される。他の乱数発生器、酵素カウンタ、絞り回路お
よび反応実行回路も上記と同様に接続される。

【００２４】接続切り換え回路ＳＷは、例えば、空間ス
イッチ等から構成され、複数の増加指令用の入力配線Ｉ
１〜Ｉｎおよび減少指令用の入力配線Ｄ１〜Ｄｎと、複
数の増加指令用の出力配線ｉ１〜ｉｍおよび減少指令用
の出力配線ｄ１〜ｄｍを含み、各配線がマトリックス状
に配置されている。

【００２５】反応実行回路Ｈ１は、接続切り換え回路Ｓ
Ｗの増加指令用の入力配線Ｉ１および減少指令用の入力
配線Ｄ１に接続され、他の反応実行回路も同様に接続さ
れる。物質カウンタＢ１は、接続切り換え回路ＳＷの増
加指令用の出力配線ｉ１および減少指令用の出力配線ｄ
１に接続され、他の物質カウンタも同様に接続される。

【００２６】また、接続切り換え回路ＳＷにおいて図中
に黒丸で示す各配線の交点ＮＤには、時分割ゲートおよ
び時分割ゲートのオン／オフを制御する保持メモリ等か
ら構成されるスイッチ（図示省略）が配置されている。

【００２７】接続切り換え回路ＳＷは、各スイッチをオ
ン／オフすることにより、増加指令用の入力配線Ｉ１〜
Ｉｎと複数の増加指令用の出力配線ｉ１〜ｉｍとの接続
状態および減少指令用の入力配線Ｄ１〜Ｄｎと減少指令
用の出力配線ｄ１〜ｄｍとの接続状態を制御し、各反応
実行回路Ｈ１〜Ｈｎが表す生化学反応の反応前の物質を
表す物質カウンタおよび反応後の物質を表す物質カウン
タと対応する反応実行回路とを接続する。

【００２８】なお、接続切り換え回路ＳＷは、上記の空
間スイッチに特に限定されず、反応実行回路と物質カウ
ンタとの接続状態を切り換えることができるものであれ
ば、他の接続切り換え回路を用いてもよい。

【００２９】物質カウンタＢ１〜Ｂｍは、例えば、バイ
ナリカウンタ等から構成され、反応前の各物質の数すな
わち分子数／原子数を初期カウント値として設定され、
反応実行回路Ｈ１〜Ｈｎの減少指令および増加指令に応
じて、そのカウント値を減少および増加させる。

【００３０】なお、物質カウンタは、上記のバイナリカ
ウンタに特に限定されず、他のカウンタを用いてもよ
い。例えば、代謝経路におけるクエン酸回路のような生
化学反応を状態遷移と捉え、状態遷移機械（有限状態オ
ートマトン）を組み合わせて使用する場合、物質カウン
タとしてジョンソンカウンタを用いることにより、コン
パクトな回路により高速にシミュレーションすることが
できる。

【００３１】乱数発生器Ｒ１は、生化学反応の反応速度
を制御するための所定の乱数を、絞り回路Ｖ１を介して
反応実行回路Ｈ１に出力する。ここで、乱数発生器とし
ては、擬似乱数を発生させる擬似乱数発生回路、カオス
的な乱数を発生させるカオス発生回路、熱雑音に基づく
乱数を発生させる熱雑音発生回路等を用いることができ
る。

【００３２】擬似乱数発生回路としては、例えば、線形
フィードバックシフトレジスタを用いることができる。
この場合、線形フィードバックシフトレジスタがＬ個の
レジスタから構成されると、２^L −１の長周期を有する
が、ほぼランダムな乱数を発生させることができる。

【００３３】カオス発生回路としては、例えば、コンデ
ンサと可変抵抗回路とで構成される閉ループにより不規
則な信号を発生させる回路を用いることができる。この
場合、カオス的な振る舞いを行う不規則な乱数を発生さ
せることができる。

【００３４】熱雑音発生回路としては、例えば、短周期
のパルスを長周期のパルスによりラッチし、ラッチされ
た短周期のパルスのレベルを乱数として出力する回路を
用いることができる。この場合、ホワイトノイズによる
周期性のない乱数を発生させることができる。

【００３５】酵素カウンタＫ１は、反応実行回路Ｈ１が
表す生化学反応に使用される酵素物質の数すなわち酵素
物質の分子数をそのカウント値として設定され、設定さ
れたカウント値に応じて絞り回路Ｖ１の絞り量が調整さ
れる。なお、一般の化学反応の場合は、酵素カウンタが
触媒カウンタに変更され、生細胞内で作られる蛋白性の
生体触媒である酵素の代わりに、触媒物質の数がそのカ
ウント値として設定される。また、触媒（酵素）を使用
しない化学反応の場合、触媒（酵素）カウンタおよび絞
り回路は不要となる。

【００３６】例えば、乱数発生器Ｒ１が乱数として
“１”または“０”のデータをランダムに発生し、酵素
カウンタＫ１がそのカウント値に応じて“０”に対する
“１”の頻度を調整して“１”または“０”のデータを
出力する。このとき、絞り回路Ｖ１が両データの論理積
を行い、その結果を反応実行回路Ｈ１へ出力する。した
がって、酵素カウンタＫ１のカウント値に応じて反応実
行回路Ｈ１へ入力される“１”の頻度が調整される。

【００３７】反応実行回路Ｈ１は、データとして“１”
が入力された場合、反応を実行させるため、増加指令用
の入力配線Ｉ１にカウント値を１だけ増加させるための
増加指令を出力するとともに、減少指令用の入力配線Ｄ
１にカウント値を１だけ減少させるための減少指令を出
力する。一方、反応実行回路Ｈ１は、データとして
“０”が入力された場合、反応を行わないようにするた
め（不実行の状態）、増加指令および減少指令を出力し
ない。

【００３８】このとき、接続切り換え回路ＳＷ１は、減
少指令用の入力配線Ｄ１と、反応実行回路Ｈ１が表す生
化学反応の反応前の物質の数すなわち原子数／分子数を
表す物質カウンタに接続されている減少指令用の出力配
線とを接続する。したがって、反応実行回路Ｈ１から出
力される減少指令が反応前の物質に対して設けられた物
質カウンタへ入力され、当該物質カウンタが自身のカウ
ント値を１だけ減少させる。

【００３９】また、このとき、接続切り換え回路ＳＷ１
は、増加指令用の入力配線Ｉ１と、反応実行回路Ｈ１が
表す生化学反応の反応後の物質の数すなわち原子数／分
子数を表す物質カウンタに接続されている増加指令用の
出力配線とを接続する。したがって、反応実行回路Ｈ１
から出力される増加指令が反応後の物質に対して設けら
れた物質カウンタへ入力され、当該物質カウンタが自身
のカウント値を１だけ増加させる。

【００４０】他の乱数発生器、酵素カウンタ、絞り回路
および反応実行回路も、上記と同様に構成され、生化学
反応に応じて上記と同様に動作する。

【００４１】上記の構成により、各反応実行回路が表す
生化学反応の反応速度が各反応実行回路ごとに調整さ
れ、各反応実行回路が表す生化学反応の反応前後の物質
に対応する各物質カウンタが対応する反応実行回路に接
続されるとともに、各反応実行回路が表す生化学反応に
応じて反応前後の物質に対応する物質カウンタのカウン
ト値が減少または増加され、複数の生化学反応が並列的
にシミュレーションされる。

【００４２】本実施の形態において、物質カウンタＢ１
〜Ｂｍがカウント手段および物質カウント手段に相当
し、反応実行回路Ｈ１〜Ｈｎ、乱数発生器Ｒ１〜Ｒｎ、
酵素カウンタＫ１〜Ｋｎ、絞り回路Ｖ１〜Ｖｎおよび接
続切り換え回路ＳＷが増加／減少手段に相当する。ま
た、反応実行回路Ｈ１〜Ｈｎが反応実行手段に相当し、
接続切り換え回路ＳＷが接続手段に相当し、乱数発生器
Ｒ１〜Ｒｎが乱数発生手段に相当し、酵素カウンタＫ１
〜Ｋｎが触媒カウント手段に相当する。

【００４３】図２は、図１に示す化学反応シミュレーシ
ョン装置によるシミュレーションの一例を模式的に示す
図である。

【００４４】図２に示す例は、ｇｌｕｃｏｓｅ（グルコ
ース）を分解する代謝過程であるＧｌｙｃｏｌｙｓｉｓ
（解糖）を示しており、ｈｅｘｏｋｉｎａｓｅ（ヘキソ
キナーゼ）が酵素となり、ｇｌｕｃｏｓｅおよびＡＴＰ
（アデノシン三リン酸）からｇｌｕｃｏｓｅ ６Ｐ（グ
ルコース−６−リン酸）、ＡＤＰ（アデノシン二リン
酸）およびＨ₊ が生成される。

【００４５】この例では、まず、乱数発生器Ｒから所定
の乱数が絞り回路Ｖへ入力される。このとき、酵素カウ
ンタＫには、ｈｅｘｏｋｉｎａｓｅの分子数がそのカウ
ント値として設定され、ｈｅｘｏｋｉｎａｓｅの分子数
に応じて絞り回路Ｖの出力が絞られ、乱数発生器Ｒの乱
数およびｈｅｘｏｋｉｎａｓｅの分子量に応じて反応実
行回路ＨによるＧｌｙｃｏｌｙｓｉｓの実行および不実
行が制御される。

【００４６】反応実行回路Ｈは、反応前の物質であるｇ
ｌｕｃｏｓｅおよびＡＴＰの分子数を表す物質カウンタ
Ｂａ，Ｂｂと、反応後の物質であるｇｌｕｃｏｓｅ ６
Ｐ、ＡＤＰおよびＨ₊ の分子数／原子数を表す物質カウ
ンタＢｃ，Ｂｄ，Ｂｅとに接続切り換え回路（図示省
略）により接続されている。

【００４７】反応実行回路Ｈは、絞り回路Ｖを介して出
力されるデータが“１”すなわち反応を実行する場合、
物質カウンタＢａ，Ｂｂにそのカウント値を１だけ減少
するように指示するとともに、物質カウンタＢｃ，Ｂ
ｄ，Ｂｅにそのカウント値を１だけ増加するように指示
し、物質カウンタＢａ，Ｂｂは、１だけカウント値を減
少させ、物質カウンタＢｃ，Ｂｄ，Ｂｅは、１だけカウ
ント値を増加させる。

【００４８】このようにして、図１に示す化学反応シミ
ュレーション装置を用い、ｈｅｘｏｋｉｎａｓｅを酵素
としてｇｌｕｃｏｓｅおよびＡＴＰからｇｌｕｃｏｓｅ
６Ｐ、ＡＤＰおよびＨ₊ を生成するＧｌｙｃｏｌｙｓ
ｉｓによる各物質の変化量をシミュレーションすること
ができる。

【００４９】上記のように、本実施の形態では、乱数発
生器Ｒ１〜Ｒｎおよび酵素カウンタＫ１〜Ｋｎにより調
整された反応速度に従い、反応実行回路Ｈ１〜Ｈｎが化
学反応前の各物質に対応する物質カウンタＢ１〜Ｂｍの
カウント値を減少させるとともに、反応後の各物質に対
応する物質カウンタＢ１〜Ｂｍのカウント値を増加さ
せ、生化学反応による各物質の変化量がシミュレーショ
ンされる。

【００５０】このように、反応前後の各物質の量をカウ
ント値すなわち数（整数）として捉え、生化学反応によ
る物質の変化量をシミュレーションしているので、物質
カウンタＢ１〜Ｂｍの数を増加するだけでシミュレーシ
ョンに使用する物質の種類を増加させることができる。

【００５１】また、未知の生化学反応が新たにわかった
場合、病体等によりある生化学反応が欠失している場合
および野生種のために生化学反応が通常と異なる場合で
も、新たな生化学反応、欠損した生化学反応および通常
と異なる生化学反応に応じて接続切り換え回路ＳＷによ
り反応実行回路Ｈ１〜Ｈｎと物質カウンタＢ１〜Ｂｍと
の接続状態を変更等することにより容易に対処すること
ができる。

【００５２】この結果、シミュレーションに使用する物
質の種類が多い場合でも、生化学反応による物質の変化
量を容易にシミュレーションすることができるととも
に、シミュレーションに使用する生化学反応を容易に修
正することができる。

【００５３】また、本実施の形態では、各ブロックが専
用の電気回路により構成されており、シミュレーション
に使用する物質の種類が多い場合でも、生化学反応によ
る各物質の変化量を高速にシミュレーションすることが
できる。

【００５４】次に、細胞内の各物質の濃度勾配を考慮し
て細胞内の生化学反応をシミュレーションする場合につ
いて説明する。図３は、細胞内の各物質の濃度勾配を考
慮して細胞内の生化学反応をシミュレーションする方法
を説明するための模式図である。

【００５５】図３に示すように、細胞内の生化学反応を
シミュレーションする場合、一つの細胞を複数のセルＣ
Ｅに空間分割し、各セルＣＥごとに物質の量を保持さ
せ、セルラーオートマトンにより各物質の濃度勾配をシ
ミュレーションする。すなわち、対象とするセル内の各
物質の濃度（量）と近傍の６個のセル内の物質の濃度
（量）とからセル間での各物質の拡散をシミュレーショ
ンする。

【００５６】例えば、隣接する２つのセルＣ１，Ｃ２
に、濃度の異なる物質１、物質２および物質３がそれぞ
れ含まれている場合、セルＣ１，Ｃ２間では、濃度の高
い方から低い方へ各物質が拡散し、このセル間での拡散
を以下のようにしてシミュレーションしている。

【００５７】図４は、図３に示す２つのセルにおける物
質の拡散をシミュレーションする場合の化学反応シミュ
レーション装置の構成を示すブロック図である。

【００５８】図４に示す化学反応シミュレーション装置
は、セルＣ１用の化学反応シミュレーション装置ＣＢ
１、セルＣ２用の化学反応シミュレーション装置ＣＢ２
および拡散回路ＫＣを備える。

【００５９】図４では、セルＣ１，Ｃ２用の化学反応シ
ミュレーション装置ＣＢ１，ＣＢ２内に各物質カウンタ
Ｂ１〜Ｂ３、Ｂ１’〜Ｂ３’のみを図示しているが、化
学反応シミュレーション装置ＣＢ１，ＣＢ２も、図１に
示す化学反応シミュレーション装置と同様に構成されて
いる。したがって、化学反応シミュレーション装置ＣＢ
１，ＣＢ２も、図１に示す化学反応シミュレーション装
置と同様に動作し、各セルＣ１，Ｃ２ごとに内部の生化
学反応をシミュレーションすることができる。

【００６０】また、化学反応シミュレーション装置ＣＢ
１内の物質カウンタＢ１〜Ｂ３の各カウント値は、セル
Ｃ１内の物質１〜物質３の原子数／分子数を表し、化学
反応シミュレーション装置ＣＢ２内の物質カウンタＢ
１’〜Ｂ３’の各カウント値は、セルＣ２内の物質１〜
物質３の原子数／分子数を表し、各物質カウンタＢ１〜
Ｂ３，Ｂ１’〜Ｂ３’は、拡散回路ＫＣを介して接続さ
れている。

【００６１】拡散回路ＫＣは、物質カウンタＢ１〜Ｂ
３，Ｂ１’〜Ｂ３’のカウント値すなわち各物質の原子
数／分子数に応じて各物質が拡散するように、物質カウ
ンタＢ１〜Ｂ３，Ｂ１’〜Ｂ３’のカウント値を制御す
る。例えば、物質カウンタＢ１のカウント値が物質カウ
ンタＢ１’のカウント値より大きい場合、平衡状態にな
るまで、所定の拡散速度に従い、物質カウンタＢ１のカ
ウント値を順次減少させるとともに、これに対応させて
物質カウンタＢ１’のカウント値を順次増加させる。

【００６２】上記のように、細胞を複数のセルに分割
し、各セルごとに生化学反応による物質の変化量をシミ
ュレーションするとともに、隣接するセル間での各物質
の拡散をシミュレーションすることにより、細胞内の各
物質の濃度勾配を考慮して細胞内の物質の変化量をシミ
ュレーションすることができる。

【００６３】次に、多細胞の生化学反応をシミュレーシ
ョンする場合について説明する。図５は、多細胞の生化
学反応をシミュレーションする方法を説明するための概
略図である。

【００６４】図５に示すように、図３と同様に各細胞を
複数のセルＣＥ（図中のハッチングのないセル）に分割
するとともに、細胞間に存在する細胞壁を複数の細胞壁
セルＷＣ（図中のハッチングを施したセル）に分割す
る。この場合、各細胞内では、図３および図４を用いて
説明した細胞内のシミュレーションと同様に生化学反応
がシミュレーションされる。

【００６５】また、細胞壁を表す細胞壁セルＷＣの部分
は、例えば、拡散が起こらない、すなわち細胞間で物質
が拡散しないものとしてシミュレーションを行ってもよ
く、また、細胞壁でもある程度の拡散が行われるとし
て、細胞内の細胞セルと同様に拡散回路を用いて拡散を
シミュレーションしてもよい。

【００６６】上記のように、各細胞を複数のセルに分割
するとともに、細胞壁を複数の細胞壁セルに分割し、各
セルごとに生化学反応による物質の変化量をシミュレー
ションするとともに、細胞内で隣接するセル間の各物質
の拡散等をシミュレーションすることにより、多細胞に
ついても、その生化学反応を同様にシミュレーションす
ることができる。

【００６７】また、図１に示す化学反応シミュレーショ
ン装置は、ソフトウェアを用いてワークステーション等
により実現することもでき、その場合のハードウェア構
成について以下に説明する。図６は、図１に示す化学反
応シミュレーション装置の機能をソフトウェアにより実
現する場合のハードウェアの構成を示すブロック図であ
る。

【００６８】図６に示すように、ソフトウェアにより図
１に示す化学反応シミュレーション装置を構成する場合
のハードウェアは、ＣＰＵ（中央演算処理装置）２１、
ＲＯＭ（リードオンリメモリ）２２、ＲＡＭ（ランダム
アクセスメモリ）２３、外部記憶装置２４、入力部２
５、出力部２６、バス２７等から構成され、ＣＰＵ２
１、ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３、外部記憶装置２４、入力
部２５および出力部２６がバス２７を介してそれぞれ接
続され、バス２７を介して種々の制御信号およびデータ
等が送受信される。

【００６９】ＣＰＵ２１は、ＲＯＭ２２に記憶されてい
る化学反応シミュレーション処理プログラムに従って動
作してＲＡＭ２３等を制御し、乱数発生器Ｒ１〜Ｒｎ、
酵素カウンタＫ１〜Ｋｎ、絞り回路Ｖ１〜Ｖｎ、反応実
行回路Ｈ１〜Ｈｎ、物質カウンタＢ１〜Ｂｍおよび接続
切り換え回路ＳＷの各機能を実行する。

【００７０】外部記憶装置２４は、ハードディスクドラ
イブ、光ディスクドライブ等の記憶装置から構成され、
必要に応じて種々のデータを記憶する。入力部２５は、
キーボード、マウス等から構成され、シミュレーション
に使用する物質および生化学反応等を入力するために使
用される。出力部２６は、ディスプレイ装置または印刷
装置等から構成され、シミュレーション結果を表示また
はプリントアウトする。

【００７１】なお、上記のハードウェアとしては、シミ
ュレーションに使用する物質の種類等に応じて、パーソ
ナルコンピュータ、ワークステーション、大型計算機等
の種々のものを用いることができ、化学反応シミュレー
ション処理プログラムを記述する言語も、特に限定され
ず、種々のプログラミング言語を用いることができる。

【００７２】次に、上記のように構成された化学反応シ
ミュレーション装置の化学反応シミュレーション処理に
ついて説明する。図７は、図６に示す化学反応シミュレ
ーション装置による化学反応シミュレーション処理を説
明するためのフローチャートである。

【００７３】まず、ユーザが入力部２５等を用いてシミ
ュレーションを使用する物質、生化学反応および酵素等
に関する必要なデータを入力すると、ステップＳ１にお
いて、ＣＰＵ２１は、入力された物質ごとに各物質の数
を表すカウンタを設定するとともに、カウンタの初期値
を設定する。

【００７４】次に、ＣＰＵ２１は、以下に説明するステ
ップＳ２〜Ｓ７の処理を各生化学反応ごとに並列に実行
し、まず、ステップＳ２において、所定の乱数を発生さ
せ、ステップＳ３において、酵素の数に応じて乱数を補
正する。

【００７５】次に、ステップＳ４において、ＣＰＵ２１
は、酵素数により補正された乱数の値に応じて反応を実
行するか否かを判断し、反応実行すなわち乱数の値が
“１”の場合はステップＳ５へ移行し、反応不実行すな
わち乱数の値が“０”の場合はステップＳ２へ移行し、
次の乱数を算出する。

【００７６】反応を実行させる場合、ＣＰＵ２１は、ス
テップＳ５において、反応前の物質の分子数／原子数を
表すカウンタのカウント値を１だけ減少させるととも
に、ステップＳ６において、反応後の物質の分子数／原
子数を表すカウンタのカウント値を１だけ増加させる。

【００７７】次に、ステップＳ７において、減少させた
反応前の物質のカウンタのカウント値が０になっている
か否かを判断し、カウント値が０の場合は次の反応が行
われないため、処理を終了し、カウント値が０でない場
合はステップＳ２へ移行し、次の反応を実行するために
処理を継続する。

【００７８】上記の処理により、各物質の数が初期カウ
ント値として設定され、乱数および酵素の数により調整
された反応速度に従い、生化学反応が実行または不実行
され、反応の実行に応じて反応前の各物質のカウント値
が減少されるとともに、反応後の各物質のカウント値が
増加される。この結果、図１に示す化学反応シミュレー
ション装置と同様に、生化学反応による各物質の変化量
をシミュレーションすることができ、同様の効果を得る
ことができる。

【００７９】なお、上記の説明では、化学反応として生
化学反応をシミュレーションする場合について説明した
が、この例に特に限定されず、種々の化学反応を上記と
同様にしてシミュレーションすることができ、同様の効
果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態による化学反応シミュレ
ーション装置の構成を示すブロック図である。

【図２】図１に示す化学反応シミュレーション装置によ
るシミュレーションの一例を模式的に示す図である。

【図３】細胞内の各物質の濃度勾配を考慮して細胞内の
生化学反応をシミュレーションする方法を説明するため
の模式図である。

【図４】図３に示す２つのセルにおける物質の拡散をシ
ミュレーションする場合の化学反応シミュレーション装
置の構成を示すブロック図である。

【図５】多細胞の生化学反応をシミュレーションする方
法を説明するための概略図である。

【図６】図１に示す化学反応シミュレーション装置の機
能をソフトウェアにより実現する場合のハードウェアの
構成を示すブロック図である。

【図７】図６に示す化学反応シミュレーション装置によ
る化学反応シミュレーション処理を説明するためのフロ
ーチャートである。

【符号の説明】

Ｒ１〜Ｒｎ 乱数発生器 Ｋ１〜Ｋｎ 酵素カウンタ Ｖ１〜Ｖｎ 絞り回路 Ｈ１〜Ｈｎ 反応実行回路 Ｂ１〜Ｂｍ 物質カウンタ ＣＢ１，ＣＢ２ 化学反応シミュレーション装置 ＫＣ 拡散回路

フロントページの続き (72)発明者 下原 勝憲 京都府相楽郡精華町光台二丁目２番地２ 株式会社国際電気通信基礎技術研究所内 Ｆターム(参考） 4G075 AA62 AA67 BA10 BB10 CA80 4H006 AA04 AC90

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 化学反応による物質の変化量をシミュレ
   ーションする化学反応シミュレーション装置であって、 各物質の数をカウントし、各カウント値が各物質の数を
   表すカウント手段と、 化学反応の進行状態に応じて、前記カウント手段の化学
   反応前の各物質のカウント値を減少させるとともに、前
   記カウント手段の化学反応後の各物質のカウント値を増
   加させる増加／減少手段とを備えることを特徴とする化
   学反応シミュレーション装置。
2. 【請求項２】 前記カウント手段は、物質ごとに設けら
   れ、カウント値が物質の数を表す複数の物質カウント手
   段を含み、 前記増加／減少手段は、 化学反応ごとに設けられ、化学反応の進行状態に応じ
   て、化学反応前の各物質の量を表す物質カウント手段の
   カウント値を減少させるとともに、化学反応後の各物質
   の量を表す物質カウント手段のカウント値を増加させる
   複数の反応実行手段と、 前記反応実行手段の化学反応に応じて前記反応実行手段
   と前記物質カウント手段とを接続する接続手段とを含む
   ことを特徴とする請求項１記載の化学反応シミュレーシ
   ョン装置。
3. 【請求項３】 前記増加／減少手段は、所定の乱数を発
   生させる乱数発生手段をさらに含み、 前記反応実行手段は、前記乱数発生手段から出力される
   乱数に応じて化学反応前の各物質の量を表す物質カウン
   ト手段のカウント値を減少させるとともに、化学反応後
   の各物質の量を表す物質カウント手段のカウント値を増
   加させることを特徴とする請求項２記載の化学反応シミ
   ュレーション装置。
4. 【請求項４】 前記増加／減少手段は、化学反応に寄与
   する触媒物質ごとに設けられ、カウント値が触媒物質の
   数を表す複数の触媒カウント手段をさらに含み、 前記反応実行手段は、前記触媒カウント手段のカウント
   値に応じて化学反応前の各物質の量を表す物質カウント
   手段のカウント値を減少させるとともに、化学反応後の
   各物質の量を表す物質カウント手段のカウント値を増加
   させることを特徴とする請求項２または３記載の化学反
   応シミュレーション装置。
5. 【請求項５】 化学反応による物質の変化量をシミュレ
   ーションする化学反応シミュレーション方法であって、 各物質の数を初期カウント値として設定するステップ
   と、 化学反応の進行状態に応じて化学反応前の各物質のカウ
   ント値を減少させるステップと、 化学反応の進行状態に応じて化学反応後の各物質のカウ
   ント値を増加させるステップとを含む化学反応シミュレ
   ーション方法。