JP2007106708A - Device and program for analyzing structural reaction characteristics correlation - Google Patents

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JP2007106708A JP2005300103A JP2005300103A JP2007106708A JP 2007106708 A JP2007106708 A JP 2007106708A JP 2005300103 A JP2005300103 A JP 2005300103A JP 2005300103 A JP2005300103 A JP 2005300103A JP 2007106708 A JP2007106708 A JP 2007106708A
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寛 中馬
Mikio Sasaki
幹夫 佐々木
Ammar Ghaibeh A
アンマール ガイベ・アハマド
Taagura Himanshu
ヒマンシュ・ターグラ
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University of Tokushima NUC
HCL Technologies Japan Ltd
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SAILA SYSTEMS KK
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HCL Technologies Japan Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve its analytical accuracy by reducing a burden of a user when analyzing a correlation with reaction characteristics of a molecular structure. <P>SOLUTION: A device has a molecule superimposing part 11 for superimposing at least two molecules on the basis of a predetermined rule, an area dividing part 12 for dividing an area into a plurality of areas with every atom or group of paying attention to the superimposed molecules, a potential energy calculating part 13 for calculating potential energy including at least electrostatic and three-dimensional potential energies in respective lattice points of a mesh by dividing the molecules superimposed by the molecule superimposing part into the meshes, a correlation calculating part 14 for calculating a correlation between averaged potential energy and a reaction characteristic value by calculating the averaged potential energy with respective plural areas and a result presenting part 15 for presenting the reaction characteristics value as a function (a linear expression) with the potential energy as an independent variable on the basis of calculation results. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、分子の反応特性値と所定の対象分子に対する各ポテンシャルエネルギーとの間の相関を解析する構造反応特性相関解析装置および構造反応特性相関解析プログラムに関する。   The present invention relates to a structure reaction characteristic correlation analysis apparatus and a structure reaction characteristic correlation analysis program for analyzing a correlation between a reaction characteristic value of a molecule and each potential energy for a predetermined target molecule.

研究開発において分子の反応特性の情報を必要とする分野の1つに薬物開発がある。薬物開発では、種々の薬物が生体に及ぼす薬物活性を調べ、より高い活性を有する薬物分子が設計される。薬物活性は、薬物がある強さで生体に対して効力を示す濃度Cの逆数の対数値である活性値(log(1/C))によって評価される。   Drug development is one of the fields that require information on molecular reaction characteristics in research and development. In drug development, the drug activity of various drugs on the living body is examined, and drug molecules having higher activity are designed. The drug activity is evaluated by an activity value (log (1 / C)) which is a logarithmic value of the reciprocal of the concentration C which shows the efficacy against a living body at a certain strength.

薬物活性は、分子の反応特性の1つであり、生体の細胞膜などに存在する受容体分子に対する薬物分子の相互作用ポテンシャルエネルギーによって決定されると考えられている。言い換えれば、相互作用ポテンシャルエネルギーと薬物活性の間に相関があると考えられている。但し、その物理化学的な相互作用がどのような効果をもたらすかは、大規模分子である受容体およびその周辺の環境に依存するため直接説明することはできない。そこで、指定された薬物の分子に類似した構造を有する参照分子群の各分子を空間的に重ね合わせて、それらの各分子の3次元的な相互作用ポテンシャルエネルギーと活性値との相関係数を計算することにより薬物の構造と活性値との関係を解析する3次元定量的構造活性相関解析(3D−QSAR)という計算手法が開発されている。   Drug activity is one of the reaction characteristics of a molecule, and is considered to be determined by the interaction potential energy of a drug molecule with respect to a receptor molecule present in a cell membrane of a living body. In other words, it is believed that there is a correlation between interaction potential energy and drug activity. However, the effect of the physicochemical interaction cannot be explained directly because it depends on the receptor, which is a large molecule, and the surrounding environment. Therefore, each molecule of the reference molecule group having a structure similar to the molecule of the specified drug is spatially superimposed, and the correlation coefficient between the three-dimensional interaction potential energy and the activity value of each molecule is obtained. A calculation method called three-dimensional quantitative structure-activity relationship analysis (3D-QSAR), which analyzes the relationship between drug structure and activity value by calculation, has been developed.

この計算手法の1つとして、本発明者の1人により開発されたVFA(Voronoi Field Analysis)が知られている(例えば、非特許文献1参照)。VFAは、分子を囲む空間をその分子を構成する各原子を囲むボロノイ(Voronoi)領域に分割して、相互作用ポテンシャルエネルギーをこのボロノイ領域ごとに平均化して取り扱うことを特徴とするものである。一方、それ以前に知られていた3D−QSAR計算手法であるCoMFA(Comparative Molecular Field Analysis:特許文献1参照)は、空間を1−2オングストローム間隔のグリッドで分割し、その各点での相互作用ポテンシャルエネルギーの値を取り扱う方法である。VFAは、CoMFAの、そのグリッドの数の増加に伴って上述の相関係数が増加しやすくその計算量が膨大になるという問題、後述する立体ポテンシャルエネルギーの計算においてエネルギーカットオフが必要であることにより解析結果に任意性が生ずる問題、30年あまりにわたり解析例の膨大な蓄積があるHansh−Fujita法(例えば、非特許文献2参照)との直接的な比較対応が困難でありその資産を生かしにくいといった問題などを解決している。
米国特許第5,307,287号 H. Chuman他, Quant. Struct. -Act. Relat., 17, 313-326 (1998) C. Hansch, T. Fujita, J. Am. Chem.Soc., 86, 1616-1626 (1963)
As one of the calculation methods, VFA (Voronoi Field Analysis) developed by one of the present inventors is known (for example, see Non-Patent Document 1). VFA is characterized in that a space surrounding a molecule is divided into Voronoi regions surrounding each atom constituting the molecule, and the interaction potential energy is averaged and handled for each Voronoi region. On the other hand, CoMFA (Comparative Molecular Field Analysis: see Patent Document 1), which is a 3D-QSAR calculation method known before that, divides a space by a grid of 1-2 angstrom intervals and interacts at each point. This is a method of handling potential energy values. VFA has a problem that the above-mentioned correlation coefficient tends to increase as the number of grids of CoMFA increases, and the amount of calculation becomes enormous, and that an energy cut-off is necessary in the calculation of steric potential energy described later. Because of this, it is difficult to make a direct comparison with the Hansh-Fujita method (for example, refer to Non-Patent Document 2), which has a problem in which the analysis results are arbitrary, and the analysis examples have been accumulated for over 30 years. It solves problems such as difficulties.
US Pat. No. 5,307,287 H. Chuman et al., Quant. Struct.-Act. Relat., 17, 313-326 (1998) C. Hansch, T. Fujita, J. Am. Chem. Soc., 86, 1616-1626 (1963)

しかし、VFAにも、参照分子群の重ね合わせおよび相関係数決定の際のパラメータ選択など、調整および最適化の操作が多く、それらの操作がユーザの負担となり、VFAが本来もたらすべき解析結果の精度を十分に引き出せないという問題を有する。   However, VFA also has many adjustment and optimization operations such as superposition of reference molecule groups and parameter selection when determining correlation coefficients, and these operations are burdens on the user, and the analysis results that VFA should originally provide There is a problem that the accuracy cannot be sufficiently obtained.

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、計算量を少なくすると共に、分子の構造の反応特性に対する相関を解析する際のユーザの負担を軽減してその解析の精度を向上させる構造反応特性相関解析装置および構造反応特性相関解析プログラムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and reduces the amount of calculation and reduces the burden on the user when analyzing the correlation with the reaction characteristics of the molecular structure, thereby improving the accuracy of the analysis. It is an object of the present invention to provide a structure-reaction characteristic correlation analysis apparatus and a structure-reaction characteristic correlation analysis program that improve performance.

本発明の局面に係る発明は、少なくとも2つの分子を所定の規則に基づいて重畳する分子重畳部と、前記分子重畳部で重畳された分子に対して、着目する原子或いは基毎に複数の領域に分割する領域分割部と、前記分子重畳部で重畳された分子をメッシュに分割し、メッシュの各格子点における少なくとも静電ポテンシャルエネルギーと立体ポテンシャルエネルギーとを含むポテンシャルエネルギーを計算するポテンシャルエネルギー計算部と、前記格子点が属する前記複数の領域ごとに平均化ポテンシャルエネルギーを計算し、前記平均化ポテンシャルエネルギーと反応特性値との相関を計算する相関計算部と、前記相関計算部の計算結果に基づいて、反応特性値を、前記ポテンシャルエネルギーを独立変数とする一次式として提示する結果提示部とを具備することを特徴とする。なお、本発明は、物(装置)の発明以外に、装置で実現する方法の発明としても成立するし、更には、当該方法を実現するためのプログラムの発明としても成立する。   The invention according to the aspect of the present invention includes a molecule superimposing unit that superimposes at least two molecules based on a predetermined rule, and a plurality of regions for each atom or group of interest with respect to the molecules superimposed in the molecule superimposing unit. And a potential energy calculation unit that divides the molecules superimposed by the molecule superimposing unit into meshes and calculates potential energy including at least electrostatic potential energy and steric potential energy at each lattice point of the mesh. An average potential energy for each of the plurality of regions to which the lattice points belong, a correlation calculation unit for calculating a correlation between the average potential energy and a reaction characteristic value, and a calculation result of the correlation calculation unit The reaction characteristic value is presented as a linear expression with the potential energy as an independent variable. Characterized by comprising a presentation unit. In addition to the invention of an object (apparatus), the present invention is established as an invention of a method realized by an apparatus, and further, an invention of a program for realizing the method.

本発明によれば、相関計算に対する計算量が減少すると共に、分子の構造の反応特性に対する相関を解析する際のユーザの負担を軽減してその解析の精度を向上させることができる。   According to the present invention, it is possible to reduce the amount of calculation for the correlation calculation, reduce the burden on the user when analyzing the correlation with the reaction characteristic of the molecular structure, and improve the accuracy of the analysis.

図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る構造反応特性相関解析装置の概略構成を示すブロック図である。なお、図1のブロック図において、矢印は、データの流れを示している。なお、本発明の一実施形態に係る構造反応特性相関解析装置は、汎用のコンピュータを用いて実現しても良いし、専用のコンピュータを用いて実現しても良く、本発明で要求する相関解析を実行可能であれば、その構成はそのような構成であっても良い。
本発明の一実施形態に係る構造反応特性相関解析装置は、少なくとも2つの分子の重畳を行って反応特性の相関解析を行う構造反応特性相関解析部10と、種々のデータの入力や制御データの入力を行う入力部20と、分子データや重畳データなどを記憶するデータ記憶部30と、反応特性を取得する反応特性値取得部40と、構造反応特性相関解析部10の相関解析の結果などを表示する表示部50とを備えている。
構造反応特性相関解析部10は、複数の分子を入力して、所定の方法で重畳する分子重畳部11と、特異点を中心として重畳後の分子を所定の領域毎に分割する領域分割部12と、重畳した分子を所定のメッシュに分割して、各格子点におけるポテンシャルエネルギーを計算するポテンシャルエネルギー計算部13と、分割された領域におけるポテンシャルエネルギーと反応特性との相関を計算する相関計算部14と、相関計算部14で算出された結果を提示する結果提示部15とを備えている。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a structural reaction characteristic correlation analyzer according to an embodiment of the present invention. In the block diagram of FIG. 1, arrows indicate the flow of data. The structural reaction characteristic correlation analysis apparatus according to an embodiment of the present invention may be realized using a general-purpose computer or a dedicated computer, and correlation analysis required by the present invention may be realized. As long as it is possible to execute, the configuration may be such a configuration.
The structural reaction characteristic correlation analysis apparatus according to an embodiment of the present invention includes a structural reaction characteristic correlation analysis unit 10 that performs correlation analysis of reaction characteristics by superimposing at least two molecules, and inputs various data and control data. An input unit 20 for inputting, a data storage unit 30 for storing molecular data, superimposition data, etc., a reaction characteristic value acquiring unit 40 for acquiring reaction characteristics, and a correlation analysis result of the structural reaction characteristic correlation analyzing unit 10 And a display unit 50 for displaying.
The structure-reaction characteristic correlation analysis unit 10 receives a plurality of molecules and superimposes them by a predetermined method, and a region dividing unit 12 divides the superposed molecules around a singular point into predetermined regions. And a potential energy calculation unit 13 for calculating the potential energy at each lattice point by dividing the superposed molecule into a predetermined mesh, and a correlation calculation unit 14 for calculating the correlation between the potential energy and the reaction characteristic in the divided region. And a result presentation unit 15 for presenting the result calculated by the correlation calculation unit 14.

上記のように構成された構造反応特性相関解析装置の具体的な動作について説明する。
まず、ユーザは入力部20を介して、データ記憶部30から少なくとも2つの所望の相互に類似する分子を選択する。ここで、「類似」とは、分子の主要部が同一である分子をいい、例えば、置換基(なお、本明細書では、置換基に限らず、分子として一つの作用を有するものを「基」として取り扱う)を取り除いた場合の分子がまったく同一の分子を云う。なお、以下の説明では、分子は2つ以上でもよいが、説明の便宜上、2つの分子が選択されたものとして説明する。この場合において、例えば、通信回線からダウンロードしたものや、記憶媒体を介して入手した分子が予めデータ記憶部30に記憶されているものとする。また、データ記憶部30に記憶された分子は、ユーザによってその一部が置換基で置換されたような分子であっても良いし、置換基を除いた部分や、置換基のみのデータを含んでいても良い。
The specific operation of the structural reaction characteristic correlation analyzer configured as described above will be described.
First, the user selects at least two desired mutually similar molecules from the data storage unit 30 via the input unit 20. Here, “similar” refers to molecules having the same principal part of the molecule. For example, a substituent (in this specification, not only a substituent but also a molecule having one function as a “group” The molecule is the same when the ")" is removed. In the following description, the number of molecules may be two or more. However, for convenience of explanation, it is assumed that two molecules are selected. In this case, for example, data downloaded from a communication line or molecules obtained via a storage medium are stored in the data storage unit 30 in advance. In addition, the molecule stored in the data storage unit 30 may be a molecule in which a part thereof is substituted with a substituent by a user, or includes data excluding a substituent or only a substituent. You can leave.

入力部20で選択された分子は、構造反応特性相関解析部10の分子重畳部11に入力して、次のように2つの分子が重畳される。分子の重畳は、対応する原子を演算によって自動的に求めても良いし、ユーザが表示部50に表示された2つの分子について、それぞれ対応する原子として、重ね合わせられるべき(または重ね合わせるべきと考えられる)原子の一部或いは全部を指定しても良い。また、自動的に重ね合わせた分子をユーザが対応する部分(例えば原子)を指定して再重畳しても良い。なお、重ねあわせに対して、2つの分子A及び分子Bにおいて、それぞれ対応する原子(或いは原子団)について、それらの位置ベクトルについて、分子の内部自由度を考えないものとすると、rAi、rBi(i=1、2、3、・・・、n)であるときに、
F=Σ|rAi−rBi|2
が最小になるときに、最適な重ね合わせが得られるものとする。このように、対応する原子を基にして、2つの分子の原子同士の位置がなるべく一致するように、原子間の結合部分を回転させることによって(これを「配座の変更」と称する)、2つの分子を重畳する。この重ね合わせの様子を図2に示す。まず、図2(a)に示すように、選択された異なる2つの分子Aと分子Bとが表示部50に表示されている。これらの2つの分子A,Bについて、その類似した部分を重ね合わせて(すなわち、重ね合わせるのに妥当な原子同士を一致させて)、重畳結果として表示部50に表示する(図2(b)参照)。なお、この重ね合わせるのに際して、適宜、それぞれの分子の原子の位置がより一致するように重畳するために、分子を回転させたり、結合部を回転させたりすることが好ましい。なお、ある化合物に置換基を重畳させる場合には、置換基が結合する原子同士を重ね合わせることにより、重畳すればよい。例えば、ベンゼン環に、メチル基を重畳させる場合には、メチル基の炭素がベンゼン環の1つの炭素に結合するので、メチル基の炭素原子にダミーの原子を付加しておき、その原子とベンゼン環の1つの炭素と重ね合わせるようにすれば良い。
The molecule selected by the input unit 20 is input to the molecular superimposing unit 11 of the structural reaction characteristic correlation analyzing unit 10 and two molecules are superimposed as follows. For the superposition of molecules, the corresponding atoms may be automatically obtained by calculation, or the user should superimpose (or superimpose) two molecules displayed on the display unit 50 as corresponding atoms. You may specify some or all of the possible atoms. Alternatively, the automatically superimposed molecules may be resuperposed by designating a corresponding part (for example, atom) by the user. For superposition, in the two molecules A and B, for the corresponding atoms (or atomic groups), regarding the position vectors thereof, if the internal degrees of freedom of the molecules are not considered, rAi, rBi ( When i = 1, 2, 3,..., n),
F = Σ | rAi−rBi | 2
It is assumed that an optimum overlay is obtained when is minimized. Thus, by rotating the bonding portion between the atoms so that the positions of the atoms of the two molecules coincide as much as possible based on the corresponding atoms (this is referred to as “conformation change”), Superimpose two molecules. This superposition is shown in FIG. First, as shown in FIG. 2A, two different selected molecules A and B are displayed on the display unit 50. About these two molecules A and B, the similar parts are overlapped (that is, atoms that are appropriate for overlapping are matched) and displayed as a superposition result on the display unit 50 (FIG. 2B). reference). In addition, when superimposing, it is preferable to rotate the molecule or rotate the bonding portion in order to appropriately superimpose so that the positions of the atoms of each molecule are more consistent. In addition, when superimposing a substituent on a certain compound, what is necessary is just to superimpose by superimposing the atoms which a substituent couple | bonds. For example, when a methyl group is superimposed on a benzene ring, the carbon of the methyl group is bonded to one carbon of the benzene ring, so a dummy atom is added to the carbon atom of the methyl group, and the atom and benzene It should be superposed on one carbon of the ring.

上記のように重畳された分子重畳部11で重畳された分子は、重畳の都度、領域分割部12と、ポテンシャルエネルギー計算部13とに出力されると共に、データ記憶部30に出力されてその都度記憶される。なお、この場合において、データ記憶部30は、重畳後のデータと共に、重畳前のそれぞれの分子のデータも記憶しておくことが好ましい。ここで、分子が占める空間は計算上閉空間であることが必要である。そのため、この閉空間を次のように定め、その閉空間内で計算を行うものとする。この閉空間は、各原子のファンデルワールス半径をつなぎ合わせた空間よりも数オングストローム大きい空間で分子全体を覆うような空間とする。   The molecules superimposed by the molecular superimposing unit 11 superimposed as described above are output to the region dividing unit 12 and the potential energy calculating unit 13 each time they are superimposed, and are also output to the data storage unit 30 each time. Remembered. In this case, it is preferable that the data storage unit 30 stores the data of each molecule before superposition together with the data after superposition. Here, the space occupied by the molecules needs to be a closed space for calculation. Therefore, this closed space is defined as follows, and calculation is performed in the closed space. This closed space is a space that covers the entire molecule with a space several angstroms larger than the space where the van der Waals radii of each atom are connected.

領域分割部12は、詳細は後述する相関計算部14で相関計算を行う際の変数を少なくするために、分子中の原子或いは基に注目して分割を行う。具体的には、ボロノイ分割を行うものとし、この場合において、分子中の原子を基本として原子ごとに領域を分割する場合には、各原子の作用の及ぶ範囲が隣接する原子の中間点までと定義して、その中間点を結ぶ平面で領域を分割する。図3は、分割後の分割領域を示す図である。図3に示すように、各原子の作用の及ぶ範囲としてボロノイ領域が定められていることがわかる。なお、領域分割の基本として原子を中心とした分割を行うことが最も適切であるが、置換基を一単位として、その置換基を一原子として捉えることによってボロノイ分割を行っても良い。   The region dividing unit 12 performs the division while paying attention to atoms or groups in the molecule in order to reduce the variables when the correlation calculation unit 14 described later in detail performs the correlation calculation. Specifically, Voronoi division is performed, and in this case, when the region is divided for each atom based on the atoms in the molecule, the range of action of each atom is up to the midpoint of adjacent atoms. Define and divide the region by the plane connecting the midpoints. FIG. 3 is a diagram illustrating the divided areas after the division. As shown in FIG. 3, it can be seen that a Voronoi region is defined as a range in which the action of each atom reaches. Although it is most appropriate to perform splitting centered on atoms as the basis of region splitting, Voronoi splitting may be performed by taking a substituent as one unit and capturing the substituent as one atom.

ポテンシャルエネルギー計算部13は、まず、分子全体を、領域分割部12で分割された領域より小さいメッシュである3次元メッシュに分割する。このメッシュの間隔は、計算機の能力と精度のとの兼ね合いにより定まるものであるので、特に定めないが、前述の非特許文献1に記載のように0.3オングストローム程度でも良い。そして、3次元メッシュの全ての格子点についてポテンシャルエネルギー(静電ポテンシャルエネルギーと立体ポテンシャルエネルギー)を求める。ここで、静電ポテンシャルエネルギーは、H+(水素原子核)を格子点に置いたときの分子との静電ポテンシャルエネルギーであり、立体ポテンシャルエネルギーは、格子点がファンデルワールス表面上に存在するか否かを示すものである。なお、このポテンシャルエネルギーは、分子の類似性を判定するための指標として使用しても良い。「類似分子」とは、図4(a)に示すような構造を有する分子において、XnとR1、R2以外は共通の構造を有する分子において、XnとR1、R2とを除いたものが同一であるような構造を有する分子をいう。例えば、図4(a)の分子では、図4(b)に示すように、Xnは、H、2−Cl、・・・、R1は、H、Me又はEt、R2はH又はMeと置換可能であることを示している。   First, the potential energy calculation unit 13 divides the entire molecule into a three-dimensional mesh that is a smaller mesh than the region divided by the region division unit 12. The mesh interval is determined by the balance between the ability and accuracy of the computer, and is not particularly defined. However, as described in Non-Patent Document 1, it may be about 0.3 angstrom. Then, the potential energy (electrostatic potential energy and steric potential energy) is obtained for all lattice points of the three-dimensional mesh. Here, electrostatic potential energy is electrostatic potential energy with a molecule when H + (hydrogen nucleus) is placed at a lattice point, and steric potential energy is whether the lattice point exists on the van der Waals surface. It is shown. The potential energy may be used as an index for determining the similarity of molecules. The “similar molecule” is a molecule having a structure as shown in FIG. 4A and having the same structure except for Xn, R1, and R2, except for Xn, R1, and R2. A molecule having a certain structure. For example, in the molecule shown in FIG. 4 (a), as shown in FIG. 4 (b), Xn is H, 2-Cl,..., R1 is H, Me or Et, and R2 is replaced with H or Me. It shows that it is possible.

上記の領域分割部12での分割結果と、ポテンシャルエネルギー計算部13で計算されたポテンシャルエネルギーは、相関計算部14に出力される。相関計算部14には、反応特性値取得部40で取得された反応特性値も出力される。反応特性値取得部40で取得される反応特性値は、分子の活性値(すなわち、反応のし易さ)を示すものであって、例えば、ある薬物が効き始める濃度をCとした場合に、この逆数の対数値(=log(1/C))で表すことができる。従って、以下の説明において、反応特性値を活性値と証する場合もある。   The result of division by the region dividing unit 12 and the potential energy calculated by the potential energy calculating unit 13 are output to the correlation calculating unit 14. The correlation calculation unit 14 also outputs the reaction characteristic value acquired by the reaction characteristic value acquisition unit 40. The reaction characteristic value acquired by the reaction characteristic value acquisition unit 40 indicates the activity value of the molecule (that is, the ease of reaction). For example, when the concentration at which a certain drug begins to work is C, This reciprocal can be represented by a logarithmic value (= log (1 / C)). Therefore, in the following description, the reaction characteristic value may be proved as an activity value.

相関計算部14は、図5に示すようなフローチャートに従って、相関計算を行う。ポテンシャルエネルギー計算部13でメッシュの格子点が領域分割部のどの領域に属するかを判定する(ステップS1)。例えば、領域分割部12で分子が2つの領域A及び領域Bに分割された場合に、メッシュの格子点がそれぞれどの領域に属するかを決定する。そして、領域毎に平均化ポテンシャルエネルギーを求める(ステップS2)。ここで、平均化ポテンシャルエネルギーは、算術平均を用いる。なお、この算術平均として、単純平均を求めても良いし、原子に近いほど重みを付ける加重平均としても良いし、その他、様々な平均方法が考えられる。そして、特性値と平均化ポテンシャルエネルギーとの相関をサポートベクタマシン(SVM)による近似法で求める(ステップS3)。このサポートベクタマシンは、数多くの応用が考えられており、テキストのカテゴリ化や、画像認識や、文字認識などにおけるそれらの分類に応用されている。サポートベクタマシンでは、空間中に配置された2つの集合を最適に分離する境界を、その集合に属する点の確率分布モデルを考えることなく求めることができる。ここで、関数近似に対応した損失関数を
max{0,|y−f(x)|−ε}
というε不感応関数で定義することにより、識別問題の場合と似たような凸2次計画問題に帰着することが知られている。このアルゴリズムを用いて、近似式が得られる。この場合において、サポートベクタマシンを用いることにより、大域的な最適化を行うことができ、他の最適化法のような局所最適解を最適解として出力することはない。この結果は、例えば、標的分子中のそれぞれの原子或いは分子(置換基)に対する活性値(アクティビティ:Activity)、すなわち反応特性値を示す係数を持つ線型方程式(一次式)として与えられる。
The correlation calculation unit 14 performs correlation calculation according to a flowchart as shown in FIG. The potential energy calculation unit 13 determines to which region of the region division unit the mesh lattice point belongs (step S1). For example, when the molecule is divided into two regions A and B by the region dividing unit 12, it is determined which region each mesh lattice point belongs to. And average potential energy is calculated | required for every area | region (step S2). Here, an arithmetic average is used as the averaged potential energy. As the arithmetic average, a simple average may be obtained, a weighted average in which the weight is closer to the atom may be used, and various other average methods are conceivable. Then, a correlation between the characteristic value and the averaged potential energy is obtained by an approximation method using a support vector machine (SVM) (step S3). The support vector machine is considered to have many applications, and is applied to classification of text categorization, image recognition, character recognition, and the like. In the support vector machine, a boundary that optimally separates two sets arranged in space can be obtained without considering a probability distribution model of points belonging to the set. Where the loss function corresponding to the function approximation is
max {0, | y−f (x) | −ε}
It is known that a convex quadratic programming problem similar to the case of the identification problem results by defining with the ε insensitive function. Using this algorithm, an approximate expression is obtained. In this case, global optimization can be performed by using a support vector machine, and a local optimal solution like other optimization methods is not output as an optimal solution. This result is given, for example, as a linear equation (primary expression) having a coefficient indicating an activity value (activity) for each atom or molecule (substituent) in the target molecule, that is, a reaction characteristic value.

上記の結果は結果提示部15によって、例えば、一次近似式として提示され、
Activity=a11+a22+a33+・・・
+b11+b22+b33+・・・+c
といった形式で、表示部50に表示される。ここで、例えば、xは静電ポテンシャルエネルギーによるものであり、yは立体ポテンシャルエネルギーによるものである。また、cは定数である。この一次式により、どの原子或いは分子(置換基)を他の原子或いは分子(置換基)に置き換えたときに全体の活性値がどの程度大きく又は小さくなるかが、当該原子或いは分子の係数a、bにより決定されるので、直感的に、どの原子或いは分子を置換すれば活性値が高くなるのかの目安を得ることができる。このため、分子の一部を他の原子や分子に置換して、新たな化合物を生成した場合においても、その化合物の活性値が定量的に予測できるので、新たな化合物の生成を検討するのに有効である。
The above result is presented as a first order approximate expression by the result presentation unit 15, for example.
Activity = a 1 x 1 + a 2 x 2 + a 3 x 3 + ...
+ B 1 y 1 + b 2 y 2 + b 3 y 3 +... + C
Is displayed on the display unit 50. Here, for example, x is due to electrostatic potential energy, and y is due to steric potential energy. C is a constant. According to this linear equation, the coefficient a of the atom or molecule is determined as to how large or small the total activity value is when an atom or molecule (substituent) is replaced with another atom or molecule (substituent). Since it is determined by b, it is possible to intuitively obtain an indication of which atom or molecule is substituted to increase the activity value. Therefore, even when a new compound is produced by substituting a part of the molecule with another atom or molecule, the activity value of that compound can be quantitatively predicted. It is effective for.

そして、提示された結果に基づいて、所望の部分における原子或いは分子の置換(すなわち、再重畳)を行い、上記のステップを繰り返すことにより、化合物の活性値の推定が可能になる。   Then, based on the presented result, substitution of atoms or molecules in a desired portion (that is, re-superimposition) is performed, and the activity value of the compound can be estimated by repeating the above steps.

上記のような活性値の推定により、所望の反応特性値を有すると思われる化合物が決定した時点で、通常実験により正確な反応特性値が求められる。しかし、本発明の実施形態では、相関計算をサポートベクタマシンを利用して求めていることから、カーネル関数を変更して非線形解(すなわち反応特性値)を求めるようにすれば、高精度な解を求めることができる。すなわち、本発明では、サポートベクタマシンを利用して最適解の計算を行っているので、異なるアルゴリズムを用いることなく、線形方程式と非線形解とが得られる。従って、本発明の一実施形態において、化合物の実際の反応特性値を実験で求める前に、相関計算部14でサポートベクタマシンを使用して非線形のより高精度な解を求めるようにすることにより更に正確な反応特性値(すなわち活性値)の予測値を予め得ることができるので、実験の手間を減少させることができる。   When a compound that is considered to have a desired reaction characteristic value is determined by estimating the activity value as described above, an accurate reaction characteristic value can be obtained by a normal experiment. However, in the embodiment of the present invention, since the correlation calculation is obtained by using a support vector machine, a highly accurate solution can be obtained by changing the kernel function to obtain a nonlinear solution (that is, reaction characteristic value). Can be requested. That is, in the present invention, since an optimal solution is calculated using a support vector machine, a linear equation and a nonlinear solution can be obtained without using different algorithms. Therefore, in one embodiment of the present invention, before the actual reaction characteristic value of a compound is experimentally determined, the correlation calculation unit 14 uses a support vector machine to determine a non-linear and highly accurate solution. Furthermore, since an accurate predicted value of the reaction characteristic value (that is, the activity value) can be obtained in advance, the labor of the experiment can be reduced.

また、上記では、サポートベクタマシンによって得られた一次近似式を用いてさまざまな化合物の反応特性値を推定した後に、更にサポートベクタマシンによって非線形のより精度の高い反応特性値を計算するようにしたが、これに限らず、化合物を入力部20から入力(或いは入力部20で選択)したら、その化合物について、サポートベクタマシンを用いて、そのまま非線形の最適化計算によって精度の高い反応特性値の予測値を計算するようにしても良い。   In addition, in the above, after estimating the response characteristic values of various compounds using the first-order approximation equation obtained by the support vector machine, the support vector machine further calculates nonlinear and more accurate reaction characteristic values. However, the present invention is not limited to this. When a compound is input from the input unit 20 (or selected by the input unit 20), a highly accurate reaction characteristic value is predicted for the compound by a non-linear optimization calculation as it is using a support vector machine. A value may be calculated.

上記のように、本発明によれば、ボロノイ分割により分子を複数の領域に分割して、その領域内の平均化ポテンシャルエネルギーと反応特性値との相関を計算するようにしたので、相関計算に係る変数の数を格段に減らすことができる。従って、計算の速度が速くなり、計算機にかかる負担が軽減される。また、ポテンシャルエネルギーを独立変数とした一次式で相関を定義するようにしたので、一次式の係数を参照して最も反応特性値に影響のありそうな因子(例えば、置換基や分子、或いは原子)を容易に推定することができる。また、分子の類似性をポテンシャルエネルギーに基づいて提示するようにしたので、ユーザによる分子の重ね合わせをより高精度で行うことができる。   As described above, according to the present invention, the molecule is divided into a plurality of regions by Voronoi division, and the correlation between the averaged potential energy in the region and the reaction characteristic value is calculated. The number of such variables can be greatly reduced. Accordingly, the calculation speed is increased and the burden on the computer is reduced. In addition, since the correlation is defined by a linear equation with potential energy as an independent variable, a factor (for example, a substituent, a molecule, or an atom that most likely affects the reaction characteristic value with reference to the coefficient of the linear equation). ) Can be estimated easily. Moreover, since the similarity of molecules is presented based on the potential energy, the molecules can be superimposed with high accuracy by the user.

更に、分子の重ね合わせの状態をデータ記憶部に記憶するようにしたので、重ね合わせの様子が容易に再現できると共に、一部を変更して再重畳するのも容易にできる。また、これにより、原子同士の対応や結合周りの回転などの設定パラメータ数が多い大きな分子の重ね合わせに対して、ユーザは分子の様々な重ね合わせ状態を比較検討しながら容易に適切な重ね合わせ状態の決定を行うことができる。更に、ポテンシャルエネルギーの値の分布を色相や、明暗により明示的に表示するようにしたので、ユーザは、各(ボロノイ)分割領域毎の平均値を計算する以前にそのポテンシャルエネルギーの空間分布を確認しながら分子の重ね合わせをより適切に行うことができるようになる。   Furthermore, since the superposition state of the molecules is stored in the data storage unit, the superposition state can be easily reproduced, and a part of the superposition can be easily changed and re-superimposed. This also allows users to easily superimpose large molecules with a large number of set parameters, such as correspondence between atoms and rotation around the bond, by comparing and examining various superposition states of molecules. A state determination can be made. In addition, the potential energy distribution is explicitly displayed by hue and brightness, so the user can check the spatial distribution of the potential energy before calculating the average value for each (Voronoi) segmented area. However, it is possible to more appropriately superimpose molecules.

また、相関計算をサポートベクタマシンを使用して実行させることにより、変数(パラメータ)が多くなっても高速な計算を実行させることができる。また、大域的な最適解を提示することができ、局所最小解(Local Minimum)の問題は生じない。更に、サポートベクタマシンによる解は、他の方法で求めた解よりも一般性(精度)が高いため、新たなデータを用意して、そのデータに対する反応特性相関を予測する場合に、他の方法よりも妥当な予測が可能である。また、サポートベクタマシンのみで、一次式による表現と非線形のより高い精度の予測計算が、カーネル関数の変更のみできるので、ユーザの要求に応じたさまざまな計算が1台の計算機で行うことが可能になる。   Further, by executing correlation calculation using a support vector machine, high-speed calculation can be executed even if the number of variables (parameters) increases. In addition, a global optimum solution can be presented, and the problem of the local minimum solution (Local Minimum) does not occur. Furthermore, since the solution by the support vector machine is more general (accuracy) than the solution obtained by other methods, when preparing new data and predicting the reaction characteristic correlation for the data, other methods are available. More reasonable predictions are possible. In addition, only a support vector machine can be used to change the kernel function for linear expression and non-linear higher-precision prediction calculation, so various calculations according to user requirements can be performed with a single computer. become.

本発明は、上記各実施の形態に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、上記各実施形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得る。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention at the stage of implementation. Further, the above embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements.

また、例えば各実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。   In addition, for example, even if some structural requirements are deleted from all the structural requirements shown in each embodiment, the problem described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, and the effect described in the effect of the invention Can be obtained as an invention.

本発明の一実施形態に係る構造反応特性相関解析装置の概略構成を示すブロック図。1 is a block diagram showing a schematic configuration of a structural reaction characteristic correlation analyzer according to an embodiment of the present invention. 2つの異なる分子を重ね合わせる様子を示す図。The figure which shows a mode that two different molecules are piled up. ボロノイ分割による分割後の分割領域を示す図。The figure which shows the division area after the division | segmentation by Voronoi division. 類似分子を説明するための図。The figure for demonstrating a similar molecule | numerator. 相関計算を行うためのフローチャート。The flowchart for performing a correlation calculation.

符号の説明Explanation of symbols

10…構造反応特性相関解析部
11…分子重畳部
12…領域分割部
13…ポテンシャルエネルギー計算部
14…相関計算部
15…結果提示部
20…入力部
30…データ記憶部
40…反応特性値取得部
50…表示部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Structural reaction characteristic correlation analysis part 11 ... Molecule superposition part 12 ... Area | region division part 13 ... Potential energy calculation part 14 ... Correlation calculation part 15 ... Result presentation part 20 ... Input part 30 ... Data storage part 40 ... Reaction characteristic value acquisition part 50 ... Display section

Claims (9)

少なくとも2つの分子を所定の規則に基づいて重畳する分子重畳部と、
前記分子重畳部で重畳された分子に対して、着目する原子或いは基毎に複数の領域に分割する領域分割部と、
前記分子重畳部で重畳された分子をメッシュに分割し、メッシュの各格子点における少なくとも静電ポテンシャルエネルギーと立体ポテンシャルエネルギーとを含むポテンシャルエネルギーを計算するポテンシャルエネルギー計算部と、
前記格子点が属する前記複数の領域ごとに平均化ポテンシャルエネルギーを計算し、前記平均化ポテンシャルエネルギーと反応特性値との相関を計算する相関計算部と、
前記相関計算部の計算結果に基づいて、反応特性値を、前記ポテンシャルエネルギーを独立変数とする一次式として提示する結果提示部とを具備することを特徴とする構造反応特性相関解析装置。
A molecule superimposing unit that superimposes at least two molecules based on a predetermined rule;
A region dividing unit that divides the molecule superimposed by the molecule superimposing unit into a plurality of regions for each atom or group of interest;
A potential energy calculation unit that divides the molecules superimposed in the molecule superimposition unit into meshes and calculates potential energy including at least electrostatic potential energy and steric potential energy at each lattice point of the mesh;
A correlation calculating unit that calculates an averaged potential energy for each of the plurality of regions to which the lattice points belong, and calculates a correlation between the averaged potential energy and a reaction characteristic value;
A structural reaction characteristic correlation analysis apparatus comprising: a result presentation unit that presents a reaction characteristic value as a linear expression having the potential energy as an independent variable based on a calculation result of the correlation calculation unit.
請求項1に記載の構造反応特性相関解析装置において、前記分子重畳部で重畳された分子の重ね合わせの状態を記憶するデータ記憶部を更に具備することを特徴とする構造反応特性相関解析装置。 2. The structural reaction characteristic correlation analyzer according to claim 1, further comprising a data storage unit for storing a superposition state of molecules superimposed by the molecular superimposing unit. 請求項1又は請求項2に記載の構造反応特性相関解析装置において、前記分子重畳部における分子の重畳の前後における状況を表示する表示部と、
ユーザの入力を受け付ける入力部とを更に具備し、
前記分子重畳部は、前記入力部に入力された操作情報に基づいて、前記表示部に表示された重畳後の分子について再重畳を行うことを特徴とする構造反応特性相関解析装置。
The structural reaction characteristic correlation analyzer according to claim 1 or 2, wherein the display unit displays a situation before and after superimposition of molecules in the molecular superimposition unit;
An input unit that accepts user input;
The molecular superposition unit re-superimposes the superposed molecule displayed on the display unit based on the operation information input to the input unit.
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の構造反応特性相関解析装置において、前記領域分割部は、前記重畳後の分子の各原子又は基を中心とするボロノイ(Voronoi)分割を用いて前記分子を複数の領域に分割することを特徴とする構造反応特性相関解析装置。 4. The structural reaction characteristic correlation analyzer according to claim 1, wherein the region dividing unit uses Voronoi division centering on each atom or group of the molecule after superimposition. 5. And dividing the molecule into a plurality of regions. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の構造反応特性相関解析装置において、前記相関計算部は、サポートベクタマシンを用いて、前記反応特性値と前記ポテンシャルエネルギーとの相関を計算することを特徴とする構造反応特性相関解析装置。 5. The structural reaction characteristic correlation analysis device according to claim 1, wherein the correlation calculation unit calculates a correlation between the reaction characteristic value and the potential energy using a support vector machine. A structure-reaction characteristic correlation analyzer. 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の構造反応特性相関解析装置において、前記ポテンシャルエネルギー計算部は、各分子のポテンシャルエネルギーを計算し、前記結果提示部は、前記重畳される分子の類似性を、各分子の前記ポテンシャルエネルギーに基づいて判定することを特徴とする構造反応特性相関解析装置。 6. The structural reaction characteristic correlation analyzer according to claim 1, wherein the potential energy calculation unit calculates a potential energy of each molecule, and the result presentation unit displays the superimposed molecules. A structure-reaction characteristic correlation analysis apparatus characterized in that the similarity is determined based on the potential energy of each molecule. 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の構造反応特性相関解析装置において、前記表示部は、前記ポテンシャルエネルギーの値の分布を色相や、明暗により明示的に表示することを特徴とする構造反応特性相関解析装置。 The structural reaction characteristic correlation analyzer according to any one of claims 1 to 6, wherein the display unit explicitly displays the distribution of the potential energy values by hue or brightness. Structure reaction characteristic correlation analyzer. 少なくとも2つの分子を所定の規則に基づいて重畳する分子重畳部と、
前記分子重畳部で重畳された分子に対して、着目する原子或いは基毎に複数の領域に分割する領域分割部と、
前記分子重畳部で重畳された分子をメッシュに分割し、メッシュの各格子点における少なくとも静電ポテンシャルエネルギーと立体ポテンシャルエネルギーとを含むポテンシャルエネルギーを計算するポテンシャルエネルギー計算部と、
前記格子点が属する前記複数の領域ごとに平均化ポテンシャルエネルギーを計算し、前記平均化ポテンシャルエネルギーと反応特性値との相関を、サポートベクタマシンを用いて計算する相関計算部と、
前記相関計算部の計算結果に基づいて、反応特性値を提示する結果提示部とを具備することを特徴とする構造反応特性相関解析装置。
A molecule superimposing unit that superimposes at least two molecules based on a predetermined rule;
A region dividing unit that divides the molecule superimposed by the molecule superimposing unit into a plurality of regions for each atom or group of interest;
A potential energy calculation unit that divides the molecules superimposed in the molecule superimposition unit into meshes and calculates potential energy including at least electrostatic potential energy and steric potential energy at each lattice point of the mesh;
A correlation calculator that calculates an averaged potential energy for each of the plurality of regions to which the lattice points belong, and calculates a correlation between the averaged potential energy and a reaction characteristic value using a support vector machine;
A structural reaction characteristic correlation analysis device comprising: a result presentation unit for presenting a reaction characteristic value based on a calculation result of the correlation calculation unit.
分子の反応特性値と分子のポテンシャルエネルギーとの相関を計算するためのコンピュータで実行可能な構造反応特性相関解析プログラムにおいて、
少なくとも2つの分子を所定の規則に基づいて重畳する分子重畳手段と、
前記分子重畳手段で重畳された分子に対して、着目する原子或いは基毎に複数の領域に分割する領域分割手段と、
前記分子重畳手段で重畳された分子をメッシュに分割し、メッシュの各格子点における少なくとも静電ポテンシャルエネルギーと立体ポテンシャルエネルギーとを含むポテンシャルエネルギーを計算するポテンシャルエネルギー計算手段と、
前記格子点が属する前記複数の領域ごとに平均化ポテンシャルエネルギーを計算し、前記平均化ポテンシャルエネルギーと反応特性値との相関を計算する相関計算手段と、
前記相関計算手段の計算結果に基づいて、反応特性値を、前記ポテンシャルエネルギーを独立変数とする一次式として提示する結果提示手段とを具備することを特徴とする構造反応特性相関解析プログラム。
In a computer-executable structural reaction characteristic correlation analysis program for calculating the correlation between the molecular reaction characteristic value and the molecular potential energy,
Molecular superimposing means for superimposing at least two molecules based on a predetermined rule;
Region dividing means for dividing the molecule superimposed by the molecule superimposing means into a plurality of regions for each atom or group of interest;
A potential energy calculation unit that divides the molecule superimposed by the molecule superimposing unit into a mesh and calculates a potential energy including at least electrostatic potential energy and steric potential energy at each lattice point of the mesh;
A correlation calculating means for calculating an average potential energy for each of the plurality of regions to which the lattice points belong, and calculating a correlation between the average potential energy and a reaction characteristic value;
A structure reaction characteristic correlation analysis program comprising: a result presentation unit that presents a reaction characteristic value as a linear expression having the potential energy as an independent variable based on a calculation result of the correlation calculation unit.
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