Development and Applications of Methods for Determination of Three-Dimensional Molecular Structures

三维分子结构测定方法的开发与应用

• 批准号: 21K11776
• 负责人: 佐藤 寛子
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: 大学共同利用機関法人情報・システム研究機構(機構本部施設等)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2026-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K11776/
• 关键词: ３次元分子構造; 類似性判定; 汎用的最小二乗偏差G-RMSD法; 分子設計; 反応予測

分子の立体的な構造は活性や物性を決める重要な要素の1つであり，近年のコンピュータ性能の向上により高精度かつ大規模な3次元（3D）分子構造データの獲得と蓄積が可能になってきた。本研究では，データサイエンスの活発化と相まって今後さらに活発化すると予想される3D分子データ活用のための新技術の確立と実証を目指し，データ化学と離散情報学を融合させた効率的アルゴリズムを開発し，分子の3D幾何構造に関する応用研究を実施する。具体的には，我々が最近開発した汎用的3D分子類似度判定法G-RMSDを中心に新規アルゴリズムを開発し，分子設計や化学反応予測等における従来法では困難な問題の解決に挑戦する。令和３年度までに，(1)分子間のRMSD最小値の最適解を保証する厳密解法の開発・実装，(2) G-RMSDの数値演算のMATLABからOctave（フリーオープンソース）ベースへの移植，(3)化学応用のための分子動力学シミュレーションの実施を行った。令和４年度は特に上記3点目の化学応用について，分子動力学（MD）シミュレーションによる化学反応経路過程に存在する点としてサンプリングされる分子構造群を最もエネルギーの低い経路を辿る線で繋ぐ再安定経路を同定する新手法開発を重点的に進めた。具体的には，種々の小分子を対象に第一原理MD計算と網羅的な化学反応経路探索計算をそれぞれCP2KとGRRM（いずれもプログラムコード）を用いて実施し，基礎データを蓄積した。これと並行して，最安定経路同定のための手法を開発し，実装した。基礎データ計算とプログラム開発・実装は現在も継続中であり，令和5年度には化学応用の最初の成果を出す予定である。

分子的三维结构是决定其活性和物理性质的重要因素之一，近年来计算机性能的改进使得获取和积累高精度和大规模的三维（3D）分子结构成为可能数据就在这里。在这项研究中，我们开发了一种结合数据化学和离散信息学的高效算法，旨在建立和演示一种使用 3D 分子数据的新技术，随着数据科学的变得更加活跃，预计该技术在未来会变得更加活跃并进行分子3D几何结构的应用研究。具体来说，我们将开发以最近开发的通用3D分子相似性判定方法G-RMSD为中心的新算法，并挑战解决分子设计和化学等传统方法难以解决的问题。反应预测。到 2021 财年，我们将 (1) 开发并实施一种精确求解方法，以保证最小分子间 RMSD 值的最优解，(2) 将 G-RMSD 数值运算从 MATLAB 转换为 Octave（免费开源）基础。进行了化学应用的分子动力学模拟。在2020财年，特别是对于上述第三种化学应用，我们将进行一个再开发项目，该项目使用分子动力学（MD）模拟将化学反应路径过程中存在的点采样的分子结构组与遵循最低能量路径的线连接起来。专注于开发新方法来识别稳定途径。具体来说，我们使用CP2K和GRRM（均为程序代码）对各种小分子进行了第一性原理MD计算和详尽的化学反应路径搜索计算，并积累了基础数据。与此同时，我们开发并实施了一种识别最稳定路径的方法。基础数据计算和程序开发/实施仍在进行中，化学应用的第一批结果预计将于 2021 年产生。