JP2010257297A - Device, program, and method for searching molecule stable structure - Google Patents
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Abstract
Description
本件は、分子安定構造探索装置、分子安定構造探索プログラム、および分子安定構造探索方法に関する。分子安定構造探索装置は、ポテンシャルエネルギーが低く安定した分子構造を探索する装置である。また、分子安定構造探索プログラムは、コンピュータをそのような分子安定構造探索装置として動作させるプログラムである。また、分子安定構造探索方法は、上記のような安定した分子構造を探索する方法である。 The present invention relates to a molecular stable structure search device, a molecular stable structure search program, and a molecular stable structure search method. The molecular stable structure search device is a device that searches for a stable molecular structure with low potential energy. The molecular stable structure search program is a program that causes a computer to operate as such a molecular stable structure search apparatus. The molecular stable structure searching method is a method for searching for a stable molecular structure as described above.
複数の原子が配列された分子構造を有する分子は、その分子を構成する各原子の位置に応じたポテンシャルエネルギーを有している。そして、分子構造は、分子が有するポテンシャルエネルギーが低い程安定した構造となる。 A molecule having a molecular structure in which a plurality of atoms are arranged has potential energy corresponding to the position of each atom constituting the molecule. The molecular structure becomes more stable as the potential energy of the molecule is lower.
従来、安定した分子構造を探索する方法として、シミュレーティドアニリーリング(SA:Simulated Annealing)法と呼ばれる方法が知られている(例えば、特許文献1参照。)。SA法は、分子をデータ上で加熱した上で原子の位置を変えてポテンシャルエネルギーが低い構造を探りつつ、徐々に冷却して、最終的にポテンシャルエネルギーが極小となる安定構造を見つける方法である。 Conventionally, as a method for searching for a stable molecular structure, a method called a simulated annealing (SA) method is known (for example, see Patent Document 1). The SA method is a method of finding a stable structure in which the potential energy is finally minimized by gradually cooling the molecule while heating the molecule on the data and then changing the position of the atom to search for a structure having a low potential energy. .
ここで、原子を移動させようとしたときに、その原子の移動が、ポテンシャルエネルギーのエネルギー障壁によって妨げられることがしばしばある。そして、このようなエネルギー障壁を超えた原子の移動によって安定構造を見つけることができることが多い。上記のSA法では、このようなエネルギー障壁を越えるためには、分子を、そのエネルギー障壁を上回る高温で加熱する必要がある。SA法はシミュレーションなので、加熱温度をいくらでも高く設定することは可能である。しかしながら、そのような高温での加熱は、シミュレーション上での分子構造を根本的に変えてしまい、処理対象の分子についての安定構造の探索を不可能にしてしまうおそれがある。 Here, when trying to move an atom, the movement of the atom is often hindered by an energy barrier of potential energy. In many cases, stable structures can be found by the movement of atoms beyond the energy barrier. In the SA method described above, in order to overcome such an energy barrier, it is necessary to heat the molecules at a high temperature exceeding the energy barrier. Since the SA method is a simulation, it is possible to set the heating temperature as high as possible. However, such heating at a high temperature may fundamentally change the molecular structure in the simulation, and may make it impossible to search for a stable structure for the molecule to be processed.
そこで、上記のようなエネルギー障壁に関わる問題を回避して安定構造を探索する量子アニーリング(QA:Quantum Annealing)法と呼ばれる方法が提案されている。このQA法は、SA法とは異なり、トンネル効果によってエネルギー障壁を見かけ上減じることで、このエネルギー障壁を越えた安定構造の探索が可能となっている。 Therefore, a method called a quantum annealing (QA) method has been proposed in which a problem related to the energy barrier as described above is avoided and a stable structure is searched. Unlike the SA method, the QA method apparently reduces the energy barrier by the tunnel effect, so that it is possible to search for a stable structure beyond the energy barrier.
QA法では、まず、このトンネル効果の度合いを示すパラメータであるトンネリング項が大きめに設定された上で、安定構造の探索が行われる。そして、QA法では、ポテンシャルエネルギーの低下に応じてトンネリング項を減じる等といった操作が行われて、最終的に、ポテンシャルエネルギーが極小となる安定構造が探索される。 In the QA method, first, a stable structure is searched after a tunneling term that is a parameter indicating the degree of the tunnel effect is set to be large. In the QA method, an operation such as reducing the tunneling term according to a decrease in potential energy is performed, and finally a stable structure in which the potential energy is minimized is searched.
しかしながら、上記のQA法では、シミュレーションにおいて分子構造を変える度に、上記のトンネリング項を用いた複雑な演算を繰り返す必要があり、分子の安定構造を効率的に探索することが難しいという問題がある。 However, in the above QA method, every time the molecular structure is changed in the simulation, it is necessary to repeat a complicated operation using the tunneling term, and it is difficult to efficiently search for a stable structure of the molecule. .
本件は上記事情に鑑み、次のような分子安定構造探索装置、分子安定構造探索プログラム、および分子安定構造探索方法を提供することを目的とするものである。分子安定構造探索装置は、分子の安定構造を効率的に探索することができる装置である。また、分子安定構造探索プログラムは、コンピュータをそのような分子安定構造探索装置として動作させるプログラムである。また、分子安定構造探索方法は、分子の安定構造を効率的に探索することができる方法である。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a molecular stable structure search apparatus, a molecular stable structure search program, and a molecular stable structure search method as described below. The molecular stable structure search apparatus is an apparatus that can efficiently search for a stable structure of a molecule. The molecular stable structure search program is a program that causes a computer to operate as such a molecular stable structure search apparatus. The molecular stable structure search method is a method that can efficiently search for a stable structure of a molecule.
上記目的を達成する分子安定構造探索装置の基本形態は、原子移動部と、移動判定部と、エネルギー算出部と、探索部とを備えている。 The basic form of the molecular stable structure search apparatus that achieves the above object includes an atom transfer unit, a transfer determination unit, an energy calculation unit, and a search unit.
原子移動部は、複数の原子それぞれが各座標点に配置され、原子の座標移動に伴ってポテンシャルエネルギーが変化する分子について、その分子を構成する原子のうちの移動対象原子の座標をデータ上で移動させるものである。 The atom moving unit is configured such that, for each molecule in which a plurality of atoms are arranged at each coordinate point and the potential energy changes with the coordinate movement of the atom, the coordinates of the movement target atom among the atoms constituting the molecule are displayed on the data. It is to be moved.
移動判定部は、上記原子移動部での今回の移動対象原子の移動が、ポテンシャルエネルギーのエネルギー障壁によりその移動対象原子の移動が妨げられる第1種の移動であるかその第1種の移動を除く第2種の移動であるかを判定するものである。 The movement determination unit determines whether or not the current movement of the movement target atom in the atomic movement unit is a first type of movement in which movement of the movement target atom is hindered by an energy barrier of potential energy. It is determined whether the movement is the second type of removal.
エネルギー算出部は、上記移動対象原子の移動が、上記第1種の移動であるか上記第2種の移動であるかに応じて、それぞれ、次のような第1のポテンシャル関数、および第2のポテンシャル関数に基づいて、上記分子のポテンシャルエネルギーを算出するものである。第1のポテンシャル関数は、上記分子を構成する複数の原子の座標点に依存するとともに上記エネルギー障壁を減じるトンネリング項を含む関数である。また、第2のポテンシャル関数は、その第1のポテンシャル関数からそのトンネリング項を除いた関数である。 Depending on whether the movement of the movement target atom is the first type movement or the second type movement, the energy calculation unit respectively has the following first potential function and second Based on the potential function, the potential energy of the molecule is calculated. The first potential function is a function including a tunneling term that depends on coordinate points of a plurality of atoms constituting the molecule and reduces the energy barrier. The second potential function is a function obtained by removing the tunneling term from the first potential function.
探索部は、次のような処理により、上記分子のポテンシャルエネルギーが極小となる、その分子を構成する複数の原子の座標点を探索するものである。即ち、この探索部は、上記原子移動部による移動対象原子の移動と、上記エネルギー算出部による上記分子のポテンシャルエネルギーの算出を交互に繰り返す。そして、この探索部は、その繰返しを、上記第1種の移動の場合は算出されたポテンシャルエネルギーの低下に応じて上記第1のポテンシャル関数のトンネリング項の影響をその影響の消滅を含んで減じながら実行する。 The search unit searches for coordinate points of a plurality of atoms constituting the molecule where the potential energy of the molecule is minimized by the following process. That is, the search unit alternately repeats the movement of the atom to be moved by the atom moving unit and the calculation of the potential energy of the molecule by the energy calculating unit. Then, the search unit reduces the repetition including the disappearance of the effect of the tunneling term of the first potential function according to the decrease of the calculated potential energy in the case of the first type of movement. Run while.
また、上記目的を達成する分子安定構造探索プログラムの基本形態は、コンピュータ内で実行され、そのコンピュータ上に、上記原子移動部と、上記移動判定部と、上記エネルギー算出部と、上記探索部とを構築するものである。 In addition, a basic form of a molecular stable structure search program that achieves the above object is executed in a computer, and on the computer, the atomic transfer unit, the transfer determination unit, the energy calculation unit, the search unit, Is to build.
また、上記目的を達成する分子安定構造探索方法の基本形態は、原子移動過程と、移動判定過程と、エネルギー算出過程と、探索過程とを備えている。 In addition, the basic form of the molecular stable structure search method that achieves the above object includes an atomic transfer process, a transfer determination process, an energy calculation process, and a search process.
原子移動過程は、複数の原子それぞれが各座標点に配置され、原子の座標移動に伴ってポテンシャルエネルギーが変化する分子について、その分子を構成する原子のうちの移動対象原子の座標をデータ上で移動させる過程である。 In the atomic movement process, for each molecule in which multiple atoms are arranged at each coordinate point and the potential energy changes as the atoms move, the coordinates of the atoms to be moved among the atoms constituting the molecule are displayed on the data. It is a process of moving.
移動判定過程は、上記原子移動過程での今回の移動対象原子の移動が、ポテンシャルエネルギーのエネルギー障壁によりその移動対象原子の移動が妨げられる第1種の移動であるかその第1種の移動を除く第2種の移動であるかを判定する過程である。 In the movement determination process, the current movement of the movement target atom in the above-described atomic movement process is the first type of movement in which the movement of the movement target atom is hindered by the energy barrier of the potential energy. This is a process of determining whether the movement is the second type of movement.
エネルギー算出過程は、上記移動対象原子の移動が、上記第1種の移動であるか上記第2種の移動であるかに応じて、上記分子のポテンシャルエネルギーを算出する過程である。このエネルギー算出過程では、上記第1種の移動であるか上記第2種の移動であるかに応じて、このポテンシャルエネルギーが、それぞれ、次のような第1のポテンシャル関数、および第2のポテンシャル関数に基づいて算出される。第1のポテンシャル関数は、上記分子を構成する複数の原子の座標点に依存するとともに上記エネルギー障壁を減じるトンネリング項を含む関数である。また、第2のポテンシャル関数は、その第1のポテンシャル関数からそのトンネリング項を除いた関数である。 The energy calculation process is a process of calculating the potential energy of the molecule depending on whether the movement of the movement target atom is the first type movement or the second type movement. In this energy calculation process, depending on whether the movement is the first type movement or the second type movement, the potential energy is changed to the following first potential function and second potential, respectively. Calculated based on the function. The first potential function is a function including a tunneling term that depends on coordinate points of a plurality of atoms constituting the molecule and reduces the energy barrier. The second potential function is a function obtained by removing the tunneling term from the first potential function.
探索過程は、次のような処理により、上記分子のポテンシャルエネルギーが極小となる、その分子を構成する複数の原子の座標点を探索する過程である。即ち、この探索過程では、上記原子移動過程による移動対象原子の移動と、上記エネルギー算出過程による上記分子のポテンシャルエネルギーの算出が交互に繰り返される。そして、この探索過程では、その繰返しが、上記第1種の移動の場合は算出されたポテンシャルエネルギーの低下に応じて上記第1のポテンシャル関数のトンネリング項の影響をその影響の消滅を含んで減じながら実行される。 The search process is a process of searching for coordinate points of a plurality of atoms constituting the molecule where the potential energy of the molecule is minimized by the following process. That is, in this search process, the movement of the atom to be moved by the atomic movement process and the calculation of the potential energy of the molecule by the energy calculation process are alternately repeated. In this search process, the repetition reduces the influence of the tunneling term of the first potential function including the disappearance of the influence according to the calculated potential energy drop in the case of the first type of movement. While being executed.
本件によれば、分子の安定構造を効率的に探索することができる。 According to this case, a stable structure of a molecule can be searched efficiently.
以下、上記に基本形態について説明した分子安定構造探索装置、分子安定構造探索プログラム、および分子安定構造探索方法の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, specific embodiments of the molecular stable structure searching apparatus, the molecular stable structure searching program, and the molecular stable structure searching method described above for the basic form will be described with reference to the drawings.
まず、第1実施形態について説明する。 First, the first embodiment will be described.
図1は、基本形態について上述した分子安定構造探索装置の具体的な一実施形態として動作するコンピュータを示す図である。また、図2は、図1に示すコンピュータのハードウェア構成図である。 FIG. 1 is a diagram illustrating a computer that operates as a specific embodiment of the molecular stable structure search apparatus described above for the basic mode. FIG. 2 is a hardware configuration diagram of the computer shown in FIG.
このコンピュータ100は、本体部110、画像表示装置120、キーボード130、およびマウス140を備えている。
The
本体部110は、後述するCPU111やハードディスク装置(HDD)113等を内蔵し各種処理を実行する装置である。また、この本体部110は、CD−ROM200が装填されるCD−ROM装填口110Aを有している。画像表示装置120は、本体部110からの指示によりモニタ121に画像表示を行う装置である。キーボード130は、このコンピュータ100にユーザの指示や文字情報を入力するためのものである。マウス140は、モニタ121上の任意の位置を指定することによりその位置に応じた指示をこのコンピュータ100に入力するものである。
The
本体部110の内部には、図2に示すように、CPU111、主メモリ112、HDD113、CD−ROMドライブ114、およびI/Oインタフェース115が内蔵されている。
As shown in FIG. 2, a
CPU111は、各種プログラムを実行するものである。主メモリ112は、HDD113に格納されたプログラムが読み出されてCPU111での実行のために展開されるメモリである。HDD113は、各種プログラムやデータが保存されるメモリである。CD−ROMドライブ114は、CD−ROM装填口110Aから装填されたCD−ROM200にアクセスするものである。I/Oインタフェース115は、このコンピュータ100が外部機器との間でデータのやりとりを行うためのインタフェースである。これらの各種要素、図1にも示す画像表示装置120、キーボード130、およびマウス140は、バス116を介して相互に接続されている。
The
以上に説明したコンピュータ100に、後述の分子安定構造探索プログラムがインストールされると、このコンピュータ100が分子安定構造探索装置として動作する。
When a later-described molecular stable structure search program is installed in the
図3は、基本形態について説明した分子安定構造探索プログラムの具体的な実施形態が記憶されたCD−ROMを示す概念図である。 FIG. 3 is a conceptual diagram showing a CD-ROM storing a specific embodiment of the molecular stable structure search program described for the basic mode.
このCD−ROM200に記憶され、コンピュータ100を分子安定構造探索装置として動作させる分子安定構造探索プログラム300が、基本形態について上述した分子安定構造探索プログラムの具体的な一実施形態に相当する。この分子安定構造探索プログラム300は、初期構造データ入力部310と、原子移動部320と、移動判定部330と、エネルギー算出部340と、探索部350と、探索結果保存/表示部360とを有する。この分子安定構造探索プログラム300の各要素の詳細については後述する。
The molecular stable
図4は、基本形態について説明した分子安定構造探索装置の具体的な実施形態を示すブロック図である。 FIG. 4 is a block diagram showing a specific embodiment of the molecular stable structure search apparatus described for the basic mode.
この図4に示す分子安定構造探索装置400は、図3の分子安定構造探索プログラム300が図1のコンピュータ100にインストールされて実行されることによって構成されるものである。この分子安定構造探索装置400は、初期構造データ入力部410と、原子移動部420と、移動判定部430と、エネルギー算出部440と、探索部450と、探索結果保存/表示部460とを有する。
The molecular stable
図3の分子安定構造探索プログラム300が、図1のコンピュータ100にインストールされると、その分子安定構造探索プログラム300の各要素が、分子安定構造探索装置400の各要素を構築する。即ち、分子安定構造探索プログラム300の初期構造データ入力部310が、分子安定構造探索装置400の初期構造データ入力部410を構築する。また、分子安定構造探索プログラム300の原子移動部320が、分子安定構造探索装置400の原子移動部420を構築する。また、分子安定構造探索プログラム300の移動判定部330が、分子安定構造探索装置400の移動判定部430を構築する。また、分子安定構造探索プログラム300のエネルギー算出部340が、分子安定構造探索装置400のエネルギー算出部440を構築する。また、分子安定構造探索プログラム300の探索部350が、分子安定構造探索装置400の探索部450を構築する。そして、分子安定構造探索プログラム300の探索結果保存/表示部360が、分子安定構造探索装置400の探索結果保存/表示部460を構築する。
When the molecular stable
ここで、これら分子安定構造探索装置400の各要素は、コンピュータのハードウェアとそのコンピュータで実行されるOSやアプリケーションプログラムとの組合せで構成されている。これに対し、図3の分子安定構造探索プログラム300の各要素は、アプリケーションプログラムのみによって構成されている。
Here, each element of the molecular stable
本実施形態の原子移動部420が、上述の基本形態における原子移動部の一例に相当する。また、移動判定部430が、上述の基本形態における移動判定部の一例に相当する。また、エネルギー算出部440が、上述の基本形態におけるエネルギー算出部の一例に相当する。また、探索部450が、上述の基本形態における探索部の一例に相当する。
The
以下、図4の分子安定構造探索装置400の各要素の詳細について、この分子安定構造探索装置400で実行される分子安定構造探索処理の流れに沿って説明する。また、この分子安定構造探索装置400の各要素を説明することによって、図3に示す分子安定構造探索プログラム300の各要素も併せて説明する。
Hereinafter, the details of each element of the molecular stable
図5は、図4の分子安定構造探索装置で実行される分子安定構造探索処理の流れを示すフローチャートにおけるステップS101からステップS113までの処理を示す図である。また、図6は、図4の分子安定構造探索装置で実行される分子安定構造探索処理の流れを示すフローチャートにおけるステップS114以降の処理を示す図である。これら図5および図6のフローチャートが示す分子安定構造探索処理が、基本形態について上述した分子安定構造探索方法の具体的な一実施形態に相当する。 FIG. 5 is a diagram showing the process from step S101 to step S113 in the flowchart showing the flow of the molecular stable structure search process executed by the molecular stable structure search apparatus of FIG. FIG. 6 is a diagram showing the processing after step S114 in the flowchart showing the flow of the molecular stable structure searching process executed by the molecular stable structure searching apparatus of FIG. The molecular stable structure searching process shown in the flowcharts of FIGS. 5 and 6 corresponds to a specific embodiment of the molecular stable structure searching method described above for the basic mode.
図5および図6のフローチャートが示す分子安定構造探索処理は、処理対象の分子のポテンシャルエネルギーが最も低くなる分子構造(安定構造)を、モンテカルロシミュレーションによって各原子を移動しながら探索する処理である。 The molecular stable structure search process shown in the flowcharts of FIGS. 5 and 6 is a process of searching for a molecular structure (stable structure) in which the potential energy of the molecule to be processed is the lowest while moving each atom by Monte Carlo simulation.
この分子安定構造探索処理は、ユーザによる所定の操作画面に対する操作によって、分子安定構造探索処理の開始が指示されるとスタートする。処理がスタートすると、初期構造データ入力部410が、処理対象の分子について、各原子が所定の初期位置に配置された初期構造を表わす初期構造データの、ユーザ操作による分子安定構造探索装置400への入力を受け付ける(ステップS101)。本実施形態では、この初期構造データは、処理対象の分子を構成する各原子の初期位置を、所定の仮想三次元空間上での座標で定義したものである。尚、この初期構造データは、仮想三次元空間上で分子構造を構築する公知の設計支援ツール等によって予め構築されたものである。
This molecular stable structure search process starts when the start of the molecular stable structure search process is instructed by a user operation on a predetermined operation screen. When the process is started, the initial structure
次に、ステップS101で入力された初期構造データに基づいて、エネルギー算出部440が、その初期構造データに対応した分子が有するポテンシャルエネルギーを算出する(ステップS102)。
Next, based on the initial structure data input in step S101, the
分子のポテンシャルエネルギーは、その分子を構成する複数の原子それぞれが有するポテンシャルエネルギーの総和となる。また、各原子のポテンシャルエネルギーは、隣接する原子との相互作用を含んだものとなる。このような各原子のポテンシャルエネルギーをEi(Xi,Yi,Zi)とすると、分子のポテンシャルエネルギーUは、以下の(1)式で表される。ここで、沿え字の「i」は、分子を構成する複数の原始それぞれに対応する識別番号である。そして、「(Xi,Yi,Zi)」は、識別番号「i」の原子の、仮想三次元空間上での位置座標である。 The potential energy of a molecule is the sum of potential energies possessed by each of a plurality of atoms constituting the molecule. In addition, the potential energy of each atom includes an interaction with an adjacent atom. When the potential energy of each atom is Ei (Xi, Yi, Zi), the potential energy U of the molecule is expressed by the following equation (1). Here, the letter “i” is an identification number corresponding to each of a plurality of primitives constituting the molecule. “(Xi, Yi, Zi)” is the position coordinate of the atom with the identification number “i” in the virtual three-dimensional space.
尚、各原子のポテンシャルエネルギーEi(Xi,Yi,Zi)の算出については、公知であるのでここでは説明を割愛する。 Note that the calculation of the potential energy Ei (Xi, Yi, Zi) of each atom is well-known and will not be described here.
ステップS102で分子のポテンシャルエネルギーを算出すると、エネルギー算出部440は、算出結果を探索部450に渡す。
When the potential energy of the molecule is calculated in step S102, the
次に、原子移動部420が、モンテカルロシミュレーションによる移動対象原子を、分子を構成する複数の原始の中から所定の選択確率で選択する(ステップS103)。また、分子を構成する複数の原始それぞれは、分子構造に起因する各原子の自由度に応じて動くことができる。そして、各原子が動くことができる可動方向は、その原子の自由度に応じた数だけ存在する。ステップS103では、原子移動部420は、移動対象原子を選択するとともに、その原子について存在する可動方向の中から、その原子の移動方向を所定の選択確率で選択する。
Next, the
移動対象原子と移動方向が決まると、原子移動部420は、その原子を、その移動方向に、所定距離dRだけ移動する(ステップS104)。
When the movement target atom and the movement direction are determined, the
上記のステップS103の処理とステップS104の処理とを合わせた処理が、上述の基本形態における原子移動過程の一例に相当する。 The process in which the process in step S103 and the process in step S104 are combined corresponds to an example of the atomic transfer process in the basic mode.
次に、移動判定部430が、ステップS104での原子の移動が、以下に説明する二面角の変更を伴った移動である否かを判定する(ステップS105)。このステップS105の処理が、上述の基本形態における移動判定過程の一例に相当する。
Next, the
図7は、二面角の変更を伴った原子の移動を示す模式図である。 FIG. 7 is a schematic diagram showing the movement of atoms with a change in dihedral angle.
この図7には、一例として、第1から第4の原子A1,…,A4が、第1から第3の結合軸B1,B2,B3で互いに結ばれてなる分子構造において、第2の原子A2が二面角の変更を伴って動かされる様子が示されている。そして、図7のパート(A)には、移動前の分子構造が示されている。また、図7のパート(B)には、移動後の分子構造が示されている。 In FIG. 7, as an example, in the molecular structure in which the first to fourth atoms A1,..., A4 are connected to each other by the first to third bond axes B1, B2, and B3, A state in which A2 is moved with a change in dihedral angle is shown. And the molecular structure before the movement is shown in part (A) of FIG. Moreover, the molecular structure after movement is shown in part (B) of FIG.
この図7の例では、第1の原子A1と第2の原子A2と第3の原子A3とが形作る面、および、第1の原子A1と第3の原子A3と第4の原子A4とが形作る面がなす二面角が、第2の原子A2の移動によって「θ1」から「θ2」に変更されている。 In the example of FIG. 7, the surface formed by the first atom A1, the second atom A2, and the third atom A3, and the first atom A1, the third atom A3, and the fourth atom A4 are formed. The dihedral angle formed by the forming surface is changed from “θ1” to “θ2” by the movement of the second atom A2.
たんぱく質の分子や薬剤候補化合物の分子等では、図7に一例を示すような二面角の変更を伴う原子の移動は、他の原子との相互作用が大きく、分子のポテンシャルエネルギーの複雑で振幅が大きい増減を招くことが多い。一方で、原子間の距離を伸ばしたり縮めたりする移動は、他の原子との相互作用が小さく、この移動に伴う分子のポテンシャルエネルギーの増減は、概ね振幅が小さいことが多い。 In protein molecules, drug candidate compounds, etc., the movement of an atom accompanied by a change in dihedral angle as shown in FIG. 7 has a large interaction with other atoms, and the molecular potential energy has a complex amplitude. Often causes a large increase or decrease. On the other hand, a movement that extends or shortens the distance between atoms has a small interaction with other atoms, and the increase or decrease in the potential energy of the molecule accompanying this movement is often small in amplitude.
図5のステップS105では、ステップS104での原子の移動が、処理対象の分子のポテンシャルエネルギーの複雑で振幅が大きい増減を招くことがある、二面角の変更を伴った移動であるか否かが判定される。 In step S105 of FIG. 5, whether or not the atom movement in step S104 is a movement accompanied by a change in dihedral angle, which may cause a complicated increase and decrease in amplitude of the potential energy of the molecule to be processed. Is determined.
まず、移動判定部440が二面角の変更を伴った移動ではないと判定した場合(ステップS105におけるNO判定)、エネルギー算出部440が次のような算出処理を実行する(ステップS106)。このステップS106では、エネルギー算出部440は、移動後の原子位置が反映された構造データに対応した分子のポテンシャルエネルギー(移動後エネルギー)U’を、上記の(1)式によって算出する。
First, when the
一方、移動判定部440が二面角の変更を伴った移動であると判定した場合(ステップS105におけるYES判定)、エネルギー算出部440は、移動後エネルギーU’を、以下に説明する一連の処理によって算出する(ステップS200)。
On the other hand, when the
図8は、図5のステップS200の処理を詳細に示す図である。 FIG. 8 is a diagram showing in detail the process of step S200 of FIG.
この図8に示すように、エネルギー算出部440は、まず、移動対象原子について、上記のステップS104での移動前のポテンシャルエネルギーEAと、移動後のポテンシャルエネルギーEBとを算出する(ステップS201)。この算出は、ステップS102やステップS106の処理における原子のポテンシャルエネルギーEi(Xi,Yi,Zi)の算出と同様に、公知の手法によって行われる。
As shown in FIG. 8, the
次に、エネルギー算出部440は、以下に説明するトンネリング項Qを用いたハミルトニアン(トンネリング項導入ハミルトニアン)H’を作成し、そのトンネリング項導入ハミルトニアンH’の対角化を行う(ステップS202)。
Next, the
このステップS202の処理では、エネルギー算出部440は、まず、上記の移動前後のポテンシャルエネルギーEA,EBを対角項とした二行二列の対角行列を作成する。さらに、その対角行列における「0」の項を、所定の値を有するトンネリング項Qに置き換えることで、図8に示す二行二列のトンネリング項導入ハミルトニアンH’を得る。そして、エネルギー算出部440は、この二行二列のトンネリング項導入ハミルトニアンH’の対角化によって、トンネリング項導入ハミルトニアンH’を、次の(2)式に示す形に変形する。
In the process of step S202, the
この(2)式が示すトンネリング項導入ハミルトニアンH’における対角項のうち左上の項が、移動対象原子についての、トンネリング項Qが導入された、移動前のポテンシャルエネルギーEA’である。また、対角項のうち右下の項が、トンネリング項Qが導入された、移動後のポテンシャルエネルギーEB’である。 The upper left term of the diagonal terms in the tunneling term introduced Hamiltonian H ′ represented by the equation (2) is the potential energy EA ′ before the movement, in which the tunneling term Q is introduced for the atom to be moved. Further, the lower right term of the diagonal terms is the potential energy EB ′ after the movement in which the tunneling term Q is introduced.
エネルギー算出部440は、上記のようなトンネリング項導入ハミルトニアンH’の対角化を実行すると、その対角化済みのトンネリング項導入ハミルトニアンH’から右下の項を抽出する行列演算を行う(ステップS203)。このステップS203の処理により、エネルギー算出部440は、移動対象原子についての、トンネリング項Qが導入された、移動後のポテンシャルエネルギーEB’を得る。
When the
次に、エネルギー算出部440は、処理対象の分子について、移動対象原子以外の原子のポテンシャルエネルギーの総和U1を算出する(ステップS204)。このステップS204の算出は、上記のステップS102と同等な処理によって行われる。ただし、移動対象原子に隣接する原子に対する、この移動対象原子からの相互作用については、上記のトンネリング項Qが導入された、移動後のポテンシャルエネルギーEB’に基づく相互作用が適用される。
Next, the
ここで、移動対象原子のポテンシャルエネルギーが増加した場合には、その移動対象原子に隣接する原子に対する、この移動対象原子からの相互作用も増加する。このとき、上記の(2)式から、トンネリング項Qが導入された、移動後のポテンシャルエネルギーEB’は、トンネリング項Qが導入されていない移動後のポテンシャルエネルギーEBよりも低くなることが分かる。つまり、移動対象原子の移動によって、その移動対象原子のポテンシャルエネルギーが増加したとしても、上記のようなトンネリング項Qの導入により、その移動対象原子のポテンシャルエネルギーの増し分が減じられる。これにより、その移動対象原子に隣接する原子に対する、この移動対象原子からの相互作用も、トンネリング項Qの導入により減じられることとなる。その結果、上記の移動対象原子以外の原子のポテンシャルエネルギーの総和U1の増し分が減じられる。 Here, when the potential energy of the transfer target atom increases, the interaction from the transfer target atom with respect to the atom adjacent to the transfer target atom also increases. At this time, from the above equation (2), it can be seen that the potential energy EB ′ after movement in which the tunneling term Q is introduced is lower than the potential energy EB after movement in which the tunneling term Q is not introduced. That is, even if the potential energy of the movement target atom increases due to the movement of the movement target atom, the increase of the potential energy of the movement target atom is reduced by the introduction of the tunneling term Q as described above. Thereby, the interaction from the moving target atom with respect to the atom adjacent to the moving target atom is also reduced by the introduction of the tunneling term Q. As a result, the increment of the total sum U1 of potential energies of atoms other than the transfer target atom is reduced.
次に、エネルギー算出部440は、ステップS204で算出された移動対象原子以外の原子のポテンシャルエネルギーの総和U1に、移動対象原子について上記のステップS203で得られた移動後のポテンシャルエネルギーEB’を加える(ステップS205)。この加算により、移動後の構造データに対応した分子について、トンネリング項Qが導入された移動後エネルギーU’が得られる。
Next, the
ここで、上述したように、移動対象原子について上記のステップS203で得られた移動後のポテンシャルエネルギーEB’は、トンネリング項Qの導入により低くなる。そして、移動対象原子以外の原子のポテンシャルエネルギーの総和U1については、トンネリング項Qの導入により増し分が減じられる。その結果、このステップS205で得られる移動後エネルギーU’についても増し分が減じられることとなる。このことは、移動対象原子の、二面角の変更を伴った移動がもたらすポテンシャルエネルギーの増減の振幅が緩和され、延いては、そのような移動によって生じるエネルギー障壁が減じられることを意味する。 Here, as described above, the potential energy EB ′ after the movement obtained in step S <b> 203 for the atom to be moved is lowered by the introduction of the tunneling term Q. And about the sum total U1 of the potential energy of atoms other than a movement object atom, an additional part is reduced by introduction | transduction of the tunneling term Q. FIG. As a result, the increased energy is also reduced for the post-movement energy U ′ obtained in step S205. This means that the amplitude of increase / decrease in potential energy caused by the movement of the atom to be moved accompanying the change of the dihedral angle is relaxed, and thus the energy barrier caused by such movement is reduced.
以上に説明したステップS200の一連の処理で使われる数式を総合したものが、上述の基本形態にいう第1のポテンシャル関数の一例に相当する。また、図5のステップS106の処理で使われる(1)式が、上述の基本形態にいう第2のポテンシャル関数の一例に相当する。 A combination of mathematical expressions used in the series of processes in step S200 described above corresponds to an example of the first potential function referred to in the basic form. In addition, the expression (1) used in the process of step S106 in FIG. 5 corresponds to an example of the second potential function described in the basic form.
図5のステップS106の処理、あるいは、以上に説明したステップS200の一連の処理によって得られた移動後エネルギーU’は、エネルギー算出部440から探索部450に渡される。
The post-movement energy U ′ obtained by the process of step S106 in FIG. 5 or the series of processes of step S200 described above is passed from the
上記のステップS106の処理とステップS200の処理とを合わせた処理が、上述の基本形態におけるエネルギー算出過程の一例に相当する。 The process that combines the process of step S106 and the process of step S200 corresponds to an example of the energy calculation process in the basic mode described above.
移動後エネルギーU’を受け取ると、探索部450は、移動後エネルギーU’から移動前の分子のポテンシャルエネルギーUを差し引いて差分エネルギーdUを求める(ステップS107)。そして、探索部450は、その差分エネルギーdUが負の値となっているか否か、即ち、移動後エネルギーU’が移動前のポテンシャルエネルギーUよりも小さくなっているか否かを判定する(ステップS108)。
When the post-movement energy U ′ is received, the
差分エネルギーdUが負の値となっていることは、移動対象原子が移動された後の分子が、移動前よりもポテンシャルエネルギーが低い安定した状態に移行していることを意味する。このため、差分エネルギーdUが負の値となっている場合には(ステップS108におけるYES判定)、探索部450は、移動対象原子の位置として、分子全体を安定させる、移動後の位置を採用する(ステップS109)。そして、探索部450は、処理対象の分子のポテンシャルエネルギーUとして、ステップS106あるいはステップS200で得られた移動後エネルギーU’を採用する(ステップS110)。
When the differential energy dU is a negative value, it means that the molecule after the transfer target atom has moved has shifted to a stable state in which the potential energy is lower than that before the transfer. For this reason, when the differential energy dU is a negative value (YES determination in step S108), the
一方、差分エネルギーdUが「0」以上の値となっていることは、原子が移動された後の分子が、移動前よりもポテンシャルエネルギーが高く不安定な状態に移行していることを意味する。ただし、ステップS104での所定距離dRだけの移動で不安定な状態に移行したとしても、移動対象原子をさらに移動させたときにポテンシャルエネルギーが低い安定した状態に移行する可能性は未だ残っている。 On the other hand, when the differential energy dU is a value of “0” or more, it means that the molecule after the atom has moved has shifted to an unstable state with higher potential energy than before the movement. . However, even if the movement of the predetermined distance dR in step S104 shifts to an unstable state, there is still a possibility of shifting to a stable state where the potential energy is low when the movement target atom is further moved. .
そのため、差分エネルギーdUが「0」以上の値となっている場合には(ステップS108におけるNO判定)、探索部450は、まず、差分エネルギーdUをパラメータとした確率関数EXP(−dU/B)に、ステップS107で得られた差分エネルギーdUを代入する。そして、探索部450は、その代入結果を、「0」から「1.0」までの間での一様乱数と比較する(ステップS111)。
Therefore, when the difference energy dU is a value equal to or greater than “0” (NO determination in step S108), the
そして、上記の代入結果が一様乱数よりも大きい場合には(ステップS111におけるYES判定)、ステップS109に進んで、探索部450は、移動後の原子の位置の採用と、移動後エネルギーU’の採用とを行う。
If the above substitution result is larger than the uniform random number (YES determination in step S111), the process proceeds to step S109, where the
一方、上記の代入結果が一様乱数以下の場合には(ステップS111におけるNO判定)、探索部450は、移動前の原子の位置の採用(ステップS112)と、移動前のポテンシャルエネルギーUの採用(ステップS113)とを行う。
On the other hand, when the above substitution result is equal to or less than the uniform random number (NO determination in step S111), the
以上、説明したように、移動対象原子の移動について、移動後の原子の位置、即ち、移動後の分子における分子構造と、移動前のポテンシャルエネルギーUの決定が終了すると、処理は図6のステップS114に進む。 As described above, regarding the movement of the atom to be moved, when the position of the atom after the movement, that is, the determination of the molecular structure in the molecule after the movement and the potential energy U before the movement is completed, the process is the step of FIG. Proceed to S114.
このステップS114では、探索部450は、処理対象の分子についてのモンテカルロシミュレーションが終了したか否かを判定する(ステップS114)。本実施形態では、この判定は、処理対象の分子中で移動可能な全ての方向についての所定ステップ分の原子の移動が、その処理対象の分子を構成する全ての原子について行われたか否かを判定することで行われる。
In step S114, the
未終了であると判定された場合には(ステップS114におけるNO判定)、探索部450は、この時点で求められている分子のポテンシャルエネルギーUが、所定の閾値よりも小さいか否かを判定する(ステップS115)。
When it is determined that it has not been completed (NO determination in step S114), the
そして、分子のポテンシャルエネルギーUが閾値以上の場合には(ステップS114におけるNO判定)、図5のステップS103以降の処理が再度実行される。本実施形態では、このような処理の再実行は、原子移動部420、およびエネルギー算出部440に対する探索部450の指示によって行われる。
If the potential energy U of the molecule is equal to or greater than the threshold value (NO determination at step S114), the processing after step S103 in FIG. 5 is executed again. In the present embodiment, such re-execution of the process is performed by an instruction from the
一方、分子のポテンシャルエネルギーUが閾値よりも小さい場合には(ステップS114におけるYES判定)、まず、探索部450が、上記のトンネリング項Qを「0」に設定する(ステップS116)。そして、探索部450の指示により、図5のステップS103以降の処理が再度実行される。このステップS116の処理を経た場合には、上記のステップS200では、ステップS106の処理と同等な処理が実行されることとなる。
On the other hand, when the potential energy U of the molecule is smaller than the threshold value (YES determination in step S114), first, the
以上に説明したステップS103からステップS116までの処理が、探索部450によってモンテカルロシミュレーションが終了したと判定される(ステップS114におけるYES判定)まで繰り返される。そして、モンテカルロシミュレーションが終了すると、探索部450は、処理対象の分子について最終的に得られた分子構造を表わす構造データを、探索結果保存/表示部460に渡す。
The processing from step S103 to step S116 described above is repeated until the
上述のステップS107からステップS116までの処理が、上述の基本形態における探索過程の一例に相当する。 The processes from step S107 to step S116 described above correspond to an example of the search process in the basic form described above.
探索結果保存/表示部460は、最終的な構造データを受け取ると、その構造データを所定のメモリに保存するとともに、図1のモニタ121に、その構造データに対応した分子の画像を表示する。この構造データの表示をもって、図5および図6のフローチャートが示す分子安定構造探索処理が終了する。
When the search result storage /
以下、ここまでに説明した分子安定構造探索処理によって、分子の安定構造を効率的に探索することができることについて、単純な分子構造を例に挙げて説明する。 Hereinafter, the fact that the stable structure of a molecule can be efficiently searched by the molecular stable structure searching process described so far will be described by taking a simple molecular structure as an example.
図9は、単純な分子構造の一例を示す図である。 FIG. 9 is a diagram showing an example of a simple molecular structure.
この図9には、一連の識別番号iが割り当てられた9つの原子A1,…,A9が、ジグザグに結合されてなる分子M1が示されている。さらに、説明を単純化するために、この図9の分子M1では、識別番号iが「3」の原子A3のみが移動可能であり、しかも、自由度は「1」で、図中の矢印D1が示す方向のみに移動可能であるとする。さらに、この矢印D1が示す移動方向が、二面角の変更を伴う移動であるとする。 FIG. 9 shows a molecule M1 in which nine atoms A1,..., A9 to which a series of identification numbers i are assigned are bonded in a zigzag manner. Furthermore, in order to simplify the explanation, in the molecule M1 in FIG. 9, only the atom A3 having the identification number i of “3” can move, and the degree of freedom is “1”, and the arrow D1 in the figure. It can be moved only in the direction indicated by. Furthermore, it is assumed that the moving direction indicated by the arrow D1 is a movement accompanied by a change in dihedral angle.
また、この識別番号iが「3」の原子A3では、図9中で実線で描かれた位置が初期位置P1である。そして、矢印D1が示す移動方向上の、図9中で点線で描かれた位置に、この分子M1のポテンシャルエネルギーが最低となる安定位置P2が存在すると仮定する。 Further, in the atom A3 having the identification number i of “3”, the position drawn with a solid line in FIG. 9 is the initial position P1. Then, it is assumed that there is a stable position P2 at which the potential energy of the molecule M1 is lowest at the position depicted by the dotted line in FIG. 9 on the movement direction indicated by the arrow D1.
この図9の分子M1に対して、図5および図6の分子安定構造探索処理が施されると、識別番号iが「3」の原子A3が安定位置P2に配置された安定構造が、以下に説明するように探索されることとなる。 When the molecular stable structure search process of FIGS. 5 and 6 is performed on the molecule M1 of FIG. 9, the stable structure in which the atom A3 having the identification number i of “3” is arranged at the stable position P2 is as follows. It will be searched as described in (1).
図10は、図9の分子M1に対する分子安定構造探索処理により安定構造が探索される様子を模式的に示す図である。 FIG. 10 is a diagram schematically showing how a stable structure is searched for by the molecular stable structure search process for the molecule M1 of FIG.
この図10のパート(A)には、識別番号iが「3」の原子A3を、図9の矢印D1が示す移動方向に連続的に移動したときの、分子M1のポテンシャルエネルギーUの変化を示す第1曲線L1が、上記の初期位置P1に配置された原子A3とともに示されている。また、図10のパート(B)には、この第1曲線L1が、上記の安定位置P2に配置された原子A3とともに示されている。 Part (A) of FIG. 10 shows the change in potential energy U of the molecule M1 when the atom A3 having the identification number i of “3” is continuously moved in the movement direction indicated by the arrow D1 in FIG. The first curve L1 shown is shown together with the atom A3 arranged at the initial position P1. Further, in Part (B) of FIG. 10, the first curve L1 is shown together with the atom A3 arranged at the stable position P2.
上述したように二面角の変更を伴う原子の移動は、分子のポテンシャルエネルギーの複雑で振幅の大きな増減を招くことが多い。図10のパート(A)およびパート(B)には、このようなポテンシャルエネルギーの複雑で振幅の大きな増減が第1曲線L1で示されている。 As described above, the movement of atoms accompanied by the change of the dihedral angle often causes a large increase or decrease in the amplitude of the complex potential energy of the molecule. In part (A) and part (B) of FIG. 10, such a complex increase / decrease in amplitude of potential energy is indicated by a first curve L1.
ここで、第1曲線L1が示すポテンシャルエネルギーの変化には、ポテンシャルエネルギーが最も低くなる基底状態の他に、この基底状態に比べれば高いが、ポテンシャルエネルギーが低くなった準安定状態が複数存在している。そして、準安定状態どうしの間がエネルギー障壁で隔てられている。このとき、移動対象原子A3の初期位置P1が、図10のパート(A)のように準安定状態に対応していたとする。一方で、上記の安定位置P2は、図10のパート(B)のように初期位置P1とは別の基底状態に対応した位置となっている。 Here, in the change of the potential energy indicated by the first curve L1, there are a plurality of metastable states in which the potential energy is low, in addition to the ground state in which the potential energy is the lowest. ing. And the metastable states are separated by an energy barrier. At this time, it is assumed that the initial position P1 of the movement target atom A3 corresponds to the metastable state as shown in part (A) of FIG. On the other hand, the stable position P2 is a position corresponding to a ground state different from the initial position P1 as shown in part (B) of FIG.
上述したように、図5および図6の分子安定構造探索処理では、基本的には、所定距離dRだけ原子を移動した後の移動後エネルギーU’が、移動前のポテンシャルエネルギーUよりも小さくなっていれば、その移動後の原子の位置が採用される。また、移動後エネルギーU’が、移動前のポテンシャルエネルギーU以上の場合には、確率関数EXP(−dU/B)に差分エネルギーdUを代入した代入結果が、上記の一様乱数よりも大きいときに移動後の原子の位置が採用される。 As described above, in the molecular stable structure search process of FIGS. 5 and 6, the post-movement energy U ′ after moving the atoms by the predetermined distance dR is basically smaller than the potential energy U before the movement. If so, the position of the atom after the movement is adopted. Further, when the energy U ′ after movement is equal to or higher than the potential energy U before movement, the substitution result obtained by substituting the difference energy dU into the probability function EXP (−dU / B) is larger than the uniform random number. The position of the atom after moving is adopted.
ここで、図10のパート(A)のように移動前の原子A3が、いずれかの準安定状態に対応した位置(例えば、初期位置P1)に配置されていたとする。 Here, it is assumed that the atom A3 before the movement is arranged at a position corresponding to any metastable state (for example, the initial position P1) as in part (A) of FIG.
また、本実施形態とは異なり、ポテンシャルエネルギーの複雑で振幅の大きな増減を招くことが多い二面角の変更を伴った原子の移動についても、移動後エネルギーU’を上述のトンネリング項を用いずに算出する場合について考える。 Also, unlike the present embodiment, the energy U ′ after movement is not used in the above tunneling term for the movement of atoms accompanied by a change in dihedral angle, which often causes a large increase / decrease in the amplitude of the potential energy. Let's consider the case of calculation.
この場合、原子A3を移動した後の移動後エネルギーU’は、エネルギー障壁に阻まれて必ず移動前のポテンシャルエネルギーUよりも大きくなる。また、上述したように二面角の変更を伴って行われる原子の移動に伴うポテンシャルエネルギーの変化では増減の振幅が大きい。従って、原子の移動前後についての差分エネルギーdUが大きくなり、確率関数EXP(−dU/B)に差分エネルギーdUを代入した代入結果が小さくなる。その結果、移動後の原子の位置が採用されにくくなり、安定位置P2に原子が配置された安定構造が見つかり難くなってしまう。 In this case, the post-movement energy U ′ after the movement of the atom A <b> 3 is always greater than the potential energy U before the movement due to the energy barrier. Further, as described above, the amplitude of increase / decrease is large in the change in potential energy accompanying the movement of atoms performed with the change in dihedral angle. Therefore, the difference energy dU before and after the movement of the atoms increases, and the substitution result obtained by substituting the difference energy dU into the probability function EXP (−dU / B) decreases. As a result, the position of the atom after movement becomes difficult to be adopted, and it becomes difficult to find a stable structure in which the atom is arranged at the stable position P2.
これに対し、本実施形態では、このような二面角の変更を伴った原子の移動については、上述したようにトンネリング項を用いることで、ポテンシャルエネルギーの増減の振幅を見かけ上緩和させた上で移動後エネルギーU’が算出される。 On the other hand, in this embodiment, for the movement of atoms accompanied by such a change in dihedral angle, the amplitude of increase / decrease in potential energy is apparently relaxed by using the tunneling term as described above. To calculate post-movement energy U ′.
図10のパート(C)には、分子M1のポテンシャルエネルギーUの、増減の振幅が緩和された変化を示す第2曲線L2が示されている。 Part (C) of FIG. 10 shows a second curve L2 showing a change in which the amplitude of increase / decrease of the potential energy U of the molecule M1 is relaxed.
本実施形態におけるこのような算出では、エネルギー障壁が見かけ上低くなっている。そのため、ある準安定状態に対応する位置から原子A3を移動したときのポテンシャルエネルギーUの移動後の増分が小さくなる。即ち、原子A3の移動前後についての差分エネルギーdUが小さくなり、確率関数EXP(−dU/B)に差分エネルギーdUを代入した代入結果が大きくなる。その結果、移動後の原子A3の位置が採用され易くなり、安定位置P2までの移動を阻むエネルギー障壁を超え易くなる。そして、本実施形態では、ある程度まで分子のポテンシャルエネルギーUが下がった段階で、安定位置P2の周辺位置に対応したエネルギー障壁を超えたものとみなしトンネリング項が「0」に設定される。これにより、安定位置P2の周辺に至った原子A3が、その安定位置P2を通り過ぎてしまうことが防がれる。本実施形態によれば、このようなトンネリング項を用いた演算処理により、原子A3が安定位置P2に配置された安定構造を確実に見つけることができる。 In such a calculation in the present embodiment, the energy barrier is apparently low. Therefore, the increment after the movement of the potential energy U when the atom A3 is moved from the position corresponding to a certain metastable state becomes small. That is, the difference energy dU before and after the movement of the atom A3 decreases, and the substitution result obtained by substituting the difference energy dU into the probability function EXP (−dU / B) increases. As a result, the position of the atom A3 after the movement is easily adopted, and the energy barrier that prevents the movement to the stable position P2 is easily exceeded. In this embodiment, when the potential energy U of the molecule is lowered to some extent, it is considered that the energy barrier corresponding to the peripheral position of the stable position P2 is exceeded, and the tunneling term is set to “0”. This prevents the atom A3 reaching the periphery of the stable position P2 from passing through the stable position P2. According to the present embodiment, a stable structure in which the atom A3 is arranged at the stable position P2 can be reliably found by the arithmetic processing using such a tunneling term.
また、本実施形態では、トンネリング項を用いた上述したような複雑な演算処理は、二面角の変更を伴った原子の移動についてのみ行われる。その結果、このような複雑な演算処理の実行が必要最小限に抑えられるので効率的である。即ち、本実施形態によれば、分子の安定構造を効率的に探索することができる。 Further, in the present embodiment, the complicated calculation process as described above using the tunneling term is performed only for the movement of atoms accompanied by the change of the dihedral angle. As a result, it is efficient because execution of such complicated arithmetic processing is minimized. That is, according to this embodiment, a stable structure of a molecule can be searched efficiently.
そして、上述したように、たんぱく質の分子や薬剤候補化合物の分子等では、二面角の変更を伴う原子の移動は、他の原子との相互作用が大きく、分子のポテンシャルエネルギーの複雑で振幅が大きい増減を招くことが多い。このため、トンネリング項を用いた演算処理の処理対象を、二面角の変更を伴う原子の移動としたことは、上記のような分子の安定構造の探索に非常に有効となる。 As described above, in protein molecules, drug candidate compound molecules, etc., the movement of an atom accompanied by a change in dihedral angle has a large interaction with other atoms, and the potential energy of the molecule is complicated and has an amplitude. Often causes a large increase or decrease. For this reason, the fact that the processing target of the arithmetic processing using the tunneling term is the movement of the atom accompanied by the change of the dihedral angle is very effective for the search for the stable structure of the molecule as described above.
このことは、上述の基本形態に対し、以下に説明する応用形態が好適であることを意味している。この応用形態では、上記移動判定部は、上記移動対象原子の移動が上記分子の分子構造における二面角の変更を伴う移動であるときに、その移動対象原子の移動を上記第1種の移動であると判定するものとなっている。 This means that the application modes described below are preferable to the basic mode described above. In this application mode, when the movement of the movement target atom is a movement accompanied by a change in dihedral angle in the molecular structure of the molecule, the movement determination unit determines the movement of the movement target atom as the first type movement. It is determined to be.
本実施形態の移動判定部430は、この応用形態における移動判定部の一例にも相当している。
The
また、本実施形態では、上述したように、ある程度まで分子のポテンシャルエネルギーUが下がった段階でトンネリング項が「0」に設定される。一般的なQA法では、ポテンシャルエネルギーの低下に伴ってトンネリング項を徐々に下げていく手法がとられることが多い。これに対し、本実施形態では、分子構造が、安定構造に近付くぎりぎりまで、ある大きさのトンネリング項を維持することで、安定構造探索のスピードが速められている。 In the present embodiment, as described above, the tunneling term is set to “0” when the potential energy U of the molecule is lowered to some extent. In general QA methods, a method of gradually lowering the tunneling term as the potential energy decreases is often employed. On the other hand, in the present embodiment, the speed of the stable structure search is increased by maintaining a tunneling term having a certain size until the molecular structure approaches the stable structure.
このことは、上述の基本形態に対し、以下に説明する応用形態が好適であることを意味している。この応用形態では、上記探索部は、上記分子のポテンシャルエネルギーとして、所定の閾値よりも小さいポテンシャルエネルギーが算出された場合に、上記第1のポテンシャル関数のトンネリング項の影響を消滅させるものとなっている。 This means that the application modes described below are preferable to the basic mode described above. In this application mode, the search unit eliminates the influence of the tunneling term of the first potential function when a potential energy smaller than a predetermined threshold is calculated as the potential energy of the molecule. Yes.
本実施形態の探索部450は、この応用形態における探索部の一例にも相当している。
The
次に、第2実施形態について説明する。 Next, a second embodiment will be described.
この第2実施形態は、移動対象原子の移動が、二面角の変更を伴う移動であった場合に移動後エネルギーU’を算出する処理が、上述の第1実施形態とは異なっている。 The second embodiment is different from the first embodiment described above in the process of calculating the post-movement energy U ′ when the movement of the movement target atom is a movement accompanied by a change in dihedral angle.
一方で、この第2実施形態は、分子安定構造探索プログラムや分子安定構造探索装置の基本的な構成については上述の第1実施形態の分子安定構造探索プログラム300や分子安定構造探索装置400と同等である。また、この第2実施形態は、分子安定構造探索処理の基本的な流れについても、上述の第1実施形態における分子安定構造探索処理と同等である。
On the other hand, the second embodiment is equivalent to the molecular stable
そこで、以下では、第2実施形態の分子安定構造探索プログラム、分子安定構造探索装置、および分子安定構造探索処理の基本的な流れについての図示と重複説明とを割愛し、第1実施形態との上記の相違点に注目した説明を行う。尚、以下では、第1実施形態の分子安定構造探索装置400を示す図4、および第1実施形態の分子安定構造探索処理の基本的な流れ示す図5とを適宜に参照する。
Therefore, in the following, illustration and overlapping description of the basic flow of the molecular stable structure search program, molecular stable structure search device, and molecular stable structure search process of the second embodiment will be omitted, and The explanation will focus on the above differences. In the following, FIG. 4 showing the molecular stable
図11は、第2実施形態において、二面角の変更を伴う移動であった場合に移動後エネルギーU’を算出する処理の流れを示すフローチャートである。 FIG. 11 is a flowchart showing a flow of processing for calculating post-movement energy U ′ when the movement is accompanied by a change in dihedral angle in the second embodiment.
尚、この図11では、第1実施形態においてこのような処理の流れを示す図8のフローチャートと同等なステップについては、図8と同じ符号が付されている。以下では、この同等なステップについては重複説明を省略する。 In FIG. 11, steps equivalent to those in the flowchart of FIG. 8 showing the flow of such processing in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as in FIG. In the following, redundant description of this equivalent step is omitted.
本実施形態では、エネルギー算出部440が、二面角の変更を伴う移動について移動後エネルギーU’を算出する場合に、互いに大きさが異なる第1および第2の2種類のトンネリング項を適宜に使い分ける。即ち、エネルギー算出部440は、処理対象の分子を二分したときの各原子群それぞれに対応する互いに値が異なる2種類のトンネリング項を有し、移動対象原子が属する原子群に対応したトンネリング項を使って算出する。
In the present embodiment, when the
この図11のフローチャートでは、上述のステップS201の処理の後、エネルギー算出部440は、まず、移動対象原子が、上記の2つの原子群のうちの一方の原子群である所定原子群に属しているか否かを判定する(ステップS301)。そして、移動対象原子が、その所定原子群に属さずもう一方の原子群に属している場合には(ステップS301におけるNO判定)、第1のトンネリング項Q1が採用される(ステップS302)。一方、移動対象原子が、その所定原子群に属している場合には(ステップS301におけるYES判定)、第1のトンネリング項Q1よりも値が大きな第2のトンネリング項Q2が採用される(ステップS303)。
In the flowchart of FIG. 11, after the process of step S201 described above, the
そして、ステップS302あるいはステップS303で採用されたトンネリング項を使って、以降のステップS202からステップS205までの処理が実行されて、移動後エネルギーU’が求められる。 Then, using the tunneling term adopted in step S302 or step S303, the subsequent processing from step S202 to step S205 is executed, and the post-movement energy U 'is obtained.
本実施形態において、上記のように、移動対象原子が、分子中のどの原子群に属しているかによって2種類のトンネリング項を使い分けることには、以下に説明する意味がある。 In the present embodiment, as described above, using two types of tunneling terms depending on which atom group in the molecule the moving target atom belongs to has the meaning described below.
図12は、2種類のトンネリング項の使い分けについて説明する図である。 FIG. 12 is a diagram for explaining the proper use of two types of tunneling terms.
この図12には、第1から第13までの13個の原子A1,…,A13が、ジグザグに結合されてなる分子M2が示されている。さらに、この図12には、この分子M2を二分する第1および第2の原子群M2_1,M2_2が示されている。そして、例えば第3の原子A3のように、第1の原子群M2_1内の原子については第1のトンネリング項Q1が使われる。また、第9の原子A9のように、第2の原子群M2_2内の原子については、第1のトンネリング項Q1よりも値が大きい第2のトンネリング項Q2が使われる。 FIG. 12 shows a molecule M2 in which 13 atoms A1,..., A13 from 1 to 13 are bonded in a zigzag manner. Further, FIG. 12 shows first and second atomic groups M2_1 and M2_2 that bisect the molecule M2. The first tunneling term Q1 is used for the atoms in the first atomic group M2_1, for example, the third atom A3. As with the ninth atom A9, for the atoms in the second atomic group M2_2, the second tunneling term Q2 having a value larger than that of the first tunneling term Q1 is used.
ここで、たんぱく質の分子や薬剤候補化合物の分子等では、原子の移動に伴うポテンシャルエネルギーの増減の振幅が、分子中の他の原子に比べて著しく大きくなる箇所が存在することがある。そこで、本実施形態では、ポテンシャルエネルギーの増減の振幅が特に大きい原子群(ここでの例では第2の原子群M2_2)内の原子について、相対的に値が大きいトンネリング項Q2が使われることとなっている。これにより、原子の移動に伴うポテンシャルエネルギーの増減の振幅が大きくなる箇所の原子についても、そのような増減の振幅が十分に緩和されることとなる。 Here, in a protein molecule, a drug candidate compound molecule, or the like, there may be a portion where the amplitude of increase / decrease in potential energy accompanying the movement of atoms is significantly larger than other atoms in the molecule. Therefore, in the present embodiment, the tunneling term Q2 having a relatively large value is used for atoms in an atomic group (in this example, the second atomic group M2_2) in which the amplitude of increase / decrease in potential energy is particularly large. It has become. As a result, the amplitude of the increase / decrease of the potential energy accompanying the movement of the atoms is sufficiently relaxed even for the atom at the location where the increase / decrease amplitude of the potential energy increases.
一方で、ポテンシャルエネルギーの増減の振幅を緩和し過ぎると、移動の前後でポテンシャルエネルギーの明確な差が小さくなり過ぎてしまい、却って安定構造の探索が難しくなってしまう。しかしながら、本実施形態では、上記のような相対的に値が大きいトンネリング項Q2の使用が、ポテンシャルエネルギーの増減の振幅が特に大きい原子群に限定されていることから、上記のような問題が回避されることとなっている。 On the other hand, if the amplitude of increase / decrease in potential energy is too relaxed, a clear difference in potential energy becomes too small before and after movement, and it becomes difficult to search for a stable structure. However, in the present embodiment, the use of the tunneling term Q2 having a relatively large value as described above is limited to the atomic group in which the amplitude of increase / decrease in the potential energy is particularly large, thereby avoiding the above problem. It is supposed to be done.
尚、分子中のどの原子群が、ポテンシャルエネルギーの増減の振幅が特に大きくなるかについては、実際の分子を使った実験等により経験的に把握される。そして、上述の初期構造データの入力時に、分子構造を二分したときの各原子群を示す情報と、各原子群とトンネリング項とを互いに対応付ける対応情報とが、初期構造データと共に入力される。そして、その入力された各情報に基づいて、上記のようなトンネリング項の使い分けが実行される。 Note that which atomic group in the molecule has a particularly large amplitude of increase / decrease in potential energy can be empirically grasped through experiments using actual molecules. When the initial structure data is input, information indicating each atomic group when the molecular structure is bisected and correspondence information that associates each atomic group with a tunneling term are input together with the initial structure data. Then, based on each input information, the proper use of the tunneling terms as described above is executed.
本実施形態では、このトンネリング項の使い分けにより、分子を構成する各原始に対してポテンシャルエネルギーの増減の振幅が適切に緩和された、良好な安定構造の探索処理が実行されることとなる。 In the present embodiment, by properly using the tunneling terms, a search process for a good stable structure in which the amplitude of increase / decrease in potential energy is appropriately relaxed for each primitive constituting the molecule is executed.
このことは、上述の基本形態に対し、以下に説明する応用形態が好適であることを意味する。この応用形態では、上記エネルギー算出部は、上記分子を複数の原子群に分けたときの各原子群それぞれに対応付けられた互いに値が異なる複数のトンネリング項を有している。そして、このエネルギー算出部は、上記移動対象原子の移動が上記第1種の移動である場合において、該分子のポテンシャルエネルギーを、上記移動対象原子が属する原子群に対応したトンネリング項を使って算出する。 This means that the application modes described below are preferable to the basic mode described above. In this application mode, the energy calculation unit has a plurality of tunneling terms having different values associated with each atom group when the molecule is divided into a plurality of atom groups. The energy calculation unit calculates the potential energy of the molecule using the tunneling term corresponding to the atomic group to which the transfer target atom belongs when the transfer of the transfer target atom is the first type transfer. To do.
本実施形態のエネルギー算出部440は、この応用形態におけるエネルギー算出部の一例に相当する。
The
尚、上記では、基本形態について上述した分子安定構造探索装置の具体的な実施形態として、モンテカルロシミュレーションによって原子を1つずつ移動させて分子構造を変えながら安定構造を探索する形態を例示した。しかしながら、基本形態について上述した分子安定構造探索装置は、この実施形態に限るものではなく、例えば、分子軌道計算を利用して複数の原子を一度に移動させて分子構造を変えながら安定構造を探索する形態であっても良い。 In the above description, as a specific embodiment of the molecular stable structure searching apparatus described above with respect to the basic form, the form in which the stable structure is searched while moving the atoms one by one by Monte Carlo simulation and changing the molecular structure is illustrated. However, the molecular stable structure search apparatus described above for the basic form is not limited to this embodiment. For example, a stable structure is searched for by changing a molecular structure by moving a plurality of atoms at once using molecular orbital calculation. The form to do may be sufficient.
また、上記では、上述の基本形態における探索部の一例として、分子のポテンシャルエネルギーが所定の閾値よりも小さくなるとトンネリング項を「0」に設定する探索部450を例示した。しかしながら、上述の基本形態における探索部はこれに限るものではなく、例えば、分子のポテンシャルエネルギーの低下に伴って、トンネリング項を徐々に「0」近付けるものであっても良い。
In the above description, as an example of the search unit in the basic mode described above, the
また、上記では、複数のトンネリング項を使い分けるタイプの応用形態におけるエネルギー算出部の一例として、2種類のトンネリング項を使い分けるエネルギー算出部440を例示した。しかしながら、上述のタイプの応用形態におけるエネルギー算出部はこれに限るものではなく、例えば、3種類以上のトンネリング項を使い分けるものであっても良い。
Moreover, in the above, the
100 コンピュータ
110 本体部
111 CPU
112 主メモリ
113 HDD
114 CD−ROMドライブ
115 I/Oインタフェース
110A CD−ROM装填口
120 画像表示装置
121 モニタ
130 キーボード
140 マウス
200 CD−ROM
300 分子安定構造探索プログラム
310 初期構造データ入力部
320 原子移動部
330 移動判定部
340 エネルギー算出部
350 探索部
360 探索結果保存/表示部
400 分子安定構造探索装置
410 初期構造データ入力部
420 原子移動部
430 移動判定部
440 エネルギー算出部
450 探索部
460 探索結果保存/表示部
100
112
114 CD-ROM drive 115 I /
300 Molecular
Claims (6)
前記原子移動部での今回の移動対象原子の移動が、ポテンシャルエネルギーのエネルギー障壁により該移動対象原子の移動が妨げられる第1種の移動であるか該第1種の移動を除く第2種の移動であるかを判定する移動判定部と、
前記移動対象原子の移動が、前記第1種の移動であるか前記第2種の移動であるかに応じて、それぞれ、前記分子を構成する複数の原子の座標点に依存するとともに前記エネルギー障壁を減じるトンネリング項を含む第1のポテンシャル関数、および該第1のポテンシャル関数から該トンネリング項を除いた第2のポテンシャル関数に基づいて、該分子のポテンシャルエネルギーを算出するエネルギー算出部と、
前記原子移動部による移動対象原子の移動と、前記エネルギー算出部による前記分子のポテンシャルエネルギーの算出を、前記第1種の移動の場合は算出されたポテンシャルエネルギーの低下に応じて前記第1のポテンシャル関数のトンネリング項の影響を該影響の消滅を含んで減じながら、交互に繰り返すことにより、前記分子のポテンシャルエネルギーが極小となる、該分子を構成する複数の原子の座標点を探索する探索部とを備えたことを特徴とする分子安定構造探索装置。 An atom moving unit that moves the coordinates of the atoms to be moved among the atoms that make up the molecule for a molecule in which each of a plurality of atoms is arranged at each coordinate point and the potential energy changes as the atom moves. When,
The current movement of the movement target atom in the atomic movement unit is a first type movement in which movement of the movement target atom is hindered by an energy barrier of potential energy or a second type excluding the first type movement. A movement determination unit for determining whether the movement,
Depending on whether the movement of the movement target atom is the first type movement or the second type movement, the energy barrier depends on the coordinate points of a plurality of atoms constituting the molecule, respectively. An energy calculator that calculates a potential energy of the molecule based on a first potential function that includes a tunneling term that reduces and a second potential function obtained by removing the tunneling term from the first potential function;
The movement of the atom to be moved by the atom moving unit and the calculation of the potential energy of the molecule by the energy calculating unit are performed according to the decrease of the calculated potential energy in the case of the first type of movement. A search unit for searching for coordinate points of a plurality of atoms constituting the molecule, wherein the potential energy of the molecule is minimized by alternately repeating while reducing the influence of the tunneling term of the function including the disappearance of the effect; A molecular stable structure search device comprising:
複数の原子それぞれが各座標点に配置され、原子の座標移動に伴ってポテンシャルエネルギーが変化する分子について、該分子を構成する原子のうちの移動対象原子の座標をデータ上で移動させる原子移動部と、
前記原子移動部での今回の移動対象原子の移動が、ポテンシャルエネルギーのエネルギー障壁により該移動対象原子の移動が妨げられる第1種の移動であるか該第1種の移動を除く第2種の移動であるかを判定する移動判定部と、
前記移動対象原子の移動が、前記第1種の移動であるか前記第2種の移動であるかに応じて、それぞれ、前記分子を構成する複数の原子の座標点に依存するとともに前記エネルギー障壁を減じるトンネリング項を含む第1のポテンシャル関数、および該第1のポテンシャル関数から該トンネリング項を除いた第2のポテンシャル関数に基づいて、該分子のポテンシャルエネルギーを算出するエネルギー算出部と、
前記原子移動部による移動対象原子の移動と、前記エネルギー算出部による前記分子のポテンシャルエネルギーの算出を、前記第1種の移動の場合は算出されたポテンシャルエネルギーの低下に応じて前記第1のポテンシャル関数のトンネリング項の影響を該影響の消滅を含んで減じながら、交互に繰り返すことにより、前記分子のポテンシャルエネルギーが極小となる、該分子を構成する複数の原子の座標点を探索する探索部とを構築することを特徴とする分子安定構造探索プログラム。 Executed in a computer, on the computer,
An atom moving unit that moves the coordinates of the atoms to be moved among the atoms that make up the molecule for a molecule in which each of a plurality of atoms is arranged at each coordinate point and the potential energy changes as the atom moves. When,
The current movement of the movement target atom in the atomic movement unit is a first type movement in which movement of the movement target atom is hindered by an energy barrier of potential energy or a second type excluding the first type movement. A movement determination unit for determining whether the movement,
Depending on whether the movement of the movement target atom is the first type movement or the second type movement, the energy barrier depends on the coordinate points of a plurality of atoms constituting the molecule, respectively. An energy calculator that calculates a potential energy of the molecule based on a first potential function that includes a tunneling term that reduces and a second potential function obtained by removing the tunneling term from the first potential function;
The movement of the atom to be moved by the atom moving unit and the calculation of the potential energy of the molecule by the energy calculating unit are performed according to the decrease of the calculated potential energy in the case of the first type of movement. A search unit for searching for coordinate points of a plurality of atoms constituting the molecule, wherein the potential energy of the molecule is minimized by alternately repeating while reducing the influence of the tunneling term of the function including the disappearance of the effect; A stable molecular structure search program characterized by constructing
前記原子移動過程での今回の移動対象原子の移動が、ポテンシャルエネルギーのエネルギー障壁により該移動対象原子の移動が妨げられる第1種の移動であるか該第1種の移動を除く第2種の移動であるかを判定する移動判定過程と、
前記移動対象原子の移動が、前記第1種の移動であるか前記第2種の移動であるかに応じて、それぞれ、前記分子を構成する複数の原子の座標点に依存するとともに前記エネルギー障壁を減じるトンネリング項を含む第1のポテンシャル関数、および該第1のポテンシャル関数から該トンネリング項を除いた第2のポテンシャル関数に基づいて、該分子のポテンシャルエネルギーを算出するエネルギー算出過程と、
前記原子移動過程による移動対象原子の移動と、前記エネルギー算出過程による前記分子のポテンシャルエネルギーの算出を、前記第1種の移動の場合は算出されたポテンシャルエネルギーの低下に応じて前記第1のポテンシャル関数のトンネリング項の影響を該影響の消滅を含んで減じながら、交互に繰り返すことにより、前記分子のポテンシャルエネルギーが極小となる、該分子を構成する複数の原子の座標点を探索する探索過程とを備えたことを特徴とする分子安定構造探索方法。 An atomic movement process in which the coordinates of the target atom among the atoms that make up the molecule are moved on the data of a molecule in which each of the atoms is arranged at each coordinate point and the potential energy changes as the atom moves. When,
The current movement of the movement target atom in the atomic movement process is a first type movement in which movement of the movement target atom is hindered by an energy barrier of potential energy, or a second type excluding the first type movement. A movement determination process for determining whether it is movement;
Depending on whether the movement of the movement target atom is the first type movement or the second type movement, the energy barrier depends on the coordinate points of a plurality of atoms constituting the molecule, respectively. An energy calculation process for calculating the potential energy of the molecule based on a first potential function that includes a tunneling term that reduces, and a second potential function obtained by removing the tunneling term from the first potential function;
The movement of the atom to be moved by the atomic movement process and the calculation of the potential energy of the molecule by the energy calculation process are performed according to the decrease of the calculated potential energy in the case of the first type of movement. A search process for searching for coordinate points of a plurality of atoms constituting the molecule, in which the potential energy of the molecule is minimized by alternately repeating while reducing the influence of the tunneling term of the function including the disappearance of the effect. A molecular stable structure search method comprising:
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