Journal of Computer Chemistry, Japan

[Published online Journal of Computer Chemistry, Japan Vol.18, 208-210, by J-STAGE]
<Title:> 分子動力学計算によるRNAアプタマーとヒト抗体の複合体形成におけるCa²⁺の役割の解析
<Author(s):> 石井　清一郎, 関口　真裕, 吉田　尚恵, 増川　恵介, 石川　岳志, 坂本　泰一, 山岸　賢司
<Corresponding author E-Mill:> yamagishi.kenji(at)nihon-u.ac.jp
<Abstract:> An RNA aptamer that binds with high affinity and specificity to human immunoglobulin G (IgG) is a 24-mer single-stranded oligonucleotide containing 2′-fluoro pyrimidine nucleotides. Using X-ray crystallographic analysis, a Ca²⁺ ion was reported as being located near the G7 phosphate of the RNA aptamer. Surface plasmon resonance analysis showed that the RNA aptamer could not bind to IgG in a buffer without Ca²⁺ ions. To elucidate the role of Ca²⁺ ions in the binding of the RNA aptamer to IgG, we performed molecular dynamics simulation for the RNA aptamer/IgG complex with and without Ca²⁺ ions in a solvent. In the presence of Ca²⁺ ions, the RMSD of the RNA aptamer backbone remained below approximately 3.0 from the crystal structure during a 1,500-ns simulation. The distance between the centroids of the RNA aptamer and IgG was maintained between the centroids in the crystal structure. However, in the absence of Ca²⁺ ions, the RMSD increased and the structure of the RNA aptamer changed from the initial structure. These results indicate that Ca²⁺ ions play a role in maintaining the conformation of the RNA aptamer to the binding form.
<Keywords:> RNA aptamer, Human immunoglobulin G, Calcium ion, Molecular dynamics, Structural analysis
<URL:> https://www.jstage.jst.go.jp/article/jccj/18/5/18_2019-0051/_article/-char/ja/

[Published online Journal of Computer Chemistry, Japan Vol.18, 221-223, by J-STAGE]
<Title:> 自由エネルギー反応経路探索法による水中アラニンペプチドの自由エネルギーネットワーク計算
<Author(s):> 満田　祐樹, 重田　育照
<Corresponding author E-Mill:> mitsutay(at)ccs.tsukuba.ac.jp
<Abstract:> Umbrella sampling is a method to calculate free energy by using molecular dynamics simulation. In the previous study, Free Energy Reaction Route Mapping Method (FERRMap) [5,6] is proposed, which is the method to calculate free energy reaction networks by using the umbrella integration method [1,2] and scaled hypersphere searching method [3,4]. In this study, we calculated FERNs of alanine octapeptide (Ala8) in water by using the FERRMap method on the dihedral of the Ramachandran plot, which is 12 dimensional. We found 613 equation structures and 835 transition structures on the FERN of Ala8. This FERN is too complicated to explain the folding of Ala8, we propose an effective flow analysis method. By using this method, we found the representative paths connecting the beta-strand and alpha-helix structure.
<Keywords:> Molecular Dynamics Simulation, Umbrella Sampling, Free Energy Reaction Network
<URL:> https://www.jstage.jst.go.jp/article/jccj/18/5/18_2019-0045/_article/-char/ja/

[Published online Journal of Computer Chemistry, Japan Vol.18, 199-201, by J-STAGE]
<Title:> レアイベントサンプリング法の開発と応用研究
<Author(s):> 原田　隆平, Vladimir　Sladek, 重田　育照
<Corresponding author E-Mill:> ryuhei(at)ccs.tsukuba.ac.jp
<Abstract:> Nontargeted parallel cascade selection molecular dynamics (nt-PaCS-MD) is a rare event sampling method of proteins, which does not rely on knowledge of the target structure. nt-PaCS-MD is an extension of targeted PaCS-MD (t-PaCS-MD). In nt-PaCS-MD, it makes use of cyclic resampling from some relevant initial structures to expand the searched conformational subspace. Reliable identification of these initial structures is the key to using nt-PaCS-MD. In the present study, we introduce the moving root-mean-square deviation (mRMSD) as a metric for identification of these statistical conformation outliers. mRMSD can be calculated for any ith geometry in the trajectory generated by short MD runs. The reference to which the mRMSD relates is the close surrounding of the ith conformation, often the (i-1) st one. Based on mRMSD, we show that it increases its effectiveness compared to the conventional MD.
<Keywords:> Protein, Molecular Dynamics Simulation, Conformational Sampling, Biologically Relevant Rare Event
<URL:> https://www.jstage.jst.go.jp/article/jccj/18/5/18_2019-0036/_article/-char/ja/

[Published online Journal of Computer Chemistry, Japan Vol.18, 202-204, by J-STAGE]
<Title:> フォルステライト表面における水分子の分解とプロトン拡散
<Author(s):> 久保　文音, 西澤　隼哉, 深澤　倫子
<Corresponding author E-Mill:> fukazawa(at)meiji.ac.jp
<Abstract:> To investigate the effects of forsterite structure on processes of H₂O decomposition and proton diffusion, we performed molecular dynamics calculations on forsterites in glassy and crystalline states. The result shows that the decomposition rate of H₂O on forsterite in the glassy state is higher than that in crystalline state in a temperature range of 200 to 400 K. Furthermore, the decomposed proton permeates into the internal part of glassy forsterite through hopping, whereas no permeation was observed for the crystalline state. These results suggest that the glassy structure of forsterite is an important factor for chemical evolution processes in interstellar spaces.
<Keywords:> Molecular dynamics calculation, Forsterite glass, Forsterite crystal, Amorphous ice, Surface
<URL:> https://www.jstage.jst.go.jp/article/jccj/18/5/18_2019-0041/_article/-char/ja/

[Published online Journal of Computer Chemistry, Japan Vol.18, 205-207, by J-STAGE]
<Title:> Geometric and Electronic Structures of Acene Crystals: A van der Waals Density Functional Theory Study
<Author(s):> Ryota MIYAZAKI, Ikutaro HAMADA
<Corresponding author E-Mill:> ihamada(at)prec.eng.osaka-u.ac.jp
<Abstract:> We demonstrate that accurate prediction of the crystal structures of anthracene and its derivatives is possible with the van der Waals density functional. Based on the calculated crystal structures, we investigate their electronic structures and discuss the correlation between crystal structure/molecular configuration and the electronic structure, in particular, the dispersion of the bands composed of the highest occupied molecular orbitals, which are important to discuss the charge carrier transport property.
<Keywords:> Organic semiconductor, Molecular crystal, Acene, Density functional theory, Van der Waals density functional
<URL:> https://www.jstage.jst.go.jp/article/jccj/18/5/18_2019-0042/_article/-char/ja/

[Published online Journal of Computer Chemistry, Japan Vol.18, 194-197, by J-STAGE]
<Title:> GaussianとGAMESSが内蔵している基底関数の違い
<Author(s):> 竹内　宗孝, 吉田　真史, 長嶋　雲兵
<Corresponding author E-Mill:> myoshida(at)tcu.ac.jp
<Abstract:> 非経験的分子軌道法の計算コードであるGaussianとGAMESSはSTO-3G等の基底の名称を指定するだけで使用できるが，同一名称の基底であっても同一のパラメータセットではない場合は，両者の答えに違いが生じる．本稿では2つのプログラムを使って研究を行っているユーザに注意を喚起するために，第三周期元素の水素化物(NaH，MgH₂，AlH₃，SiH₄，PH₃，H₂S，HCl) についてSTO-3Gを用いた計算をGaussianとGAMESSとで実行し計算結果を比較した．その結果，HClを除き全エネルギーとHOMOのエネルギーはGaussianよりGAMESSのほうが低くなった．これは第三周期元素の原子基底の3s軌道と3p軌道の空間的広がりの違いに起因する．またMulliken電荷は，GaussianよりGAMESSのほうが小さくなった．いくつかの別のプログラムを使用するとき，入力データが利用者が意図した電子状態を記述できうるかを吟味することは大切なことである．
<Keywords:> basis set, Gaussian, GAMESS, STO-3G, total energy, HOMO energy, Mulliken charge
<URL:> https://www.jstage.jst.go.jp/article/jccj/18/4/18_2019-0007/_article/-char/ja/

[Published online Journal of Computer Chemistry, Japan Vol.18, A14-A20, by J-STAGE]
<Title:> 電子を描く(10) ― 元素の周期表を原子軌道で描く
<Author(s):> 時田　澄男, 時田　那珂子
<Corresponding author E-Mill:> tokita(at)apc.saitama-u.ac.jp
<Abstract:> 元素を特徴付ける原子軌道を電子雲的表示および等値曲面表示によって描き，周期表に配置した．元素の周期性は，列方向(族方向)に節面の数だけが異なる類似の軌道が規則的に並ぶことによって見事に表現できた．微妙に存在する規則性からの「ずれ」からも，元素の特性を見極めることが出来た．
<Keywords:> Keywords periodic table, element, many-electron atom, electronic configuration, atomic orbital, electron, visualization
<URL:> https://www.jstage.jst.go.jp/article/jccj/18/4/18_2019-0032/_article/-char/ja/

[Published online Journal of Computer Chemistry, Japan Vol.18, 169-175, by J-STAGE]
<Title:> 超高速クラスタ型並列計算機(京)を用いた汎用分子動力学プログラムLAMMPSの高速化
<Author(s):> 小久保　達信, 長岡　伸一, 寺前　裕之, 長嶋　雲兵
<Corresponding author E-Mill:> nagashima(at)j-focus.or.jp
<Abstract:> 分子動力学プログラムLAMMPSは，分散並列処理により高い効率で実装されており，スーパーコンピュータ「京」でも，大規模なノードを使ってもよくスケールし，高性能を発揮している．LAMMPSの さらなる高速化を目指し，Mod -FixLan機能で利用されている乱数ルーチンのSingle Instruction Multi Data (SIMD/ベクトル) 化及びOpenMPでのスレッド並列化によるさらなる高速化の実現を試みた．乱数生成は逐次処理のアルゴリズムが基本でありSIMD化及びOpenMPによる並列化の難しい部分の高速化を新たに実装した．特に乱数ルーチンの実装の改良によって，全体で46%程度の性能向上が観測された．まだまだ，LAMMPSには高速化の余地がある．
<Keywords:> Keywords molecular dynamics, Cluster type parallel super-computer, LAMMPS, random number, Single Instruction Multi Data (SIMD)
<URL:> https://www.jstage.jst.go.jp/article/jccj/18/4/18_2019-0008/_article/-char/ja/

[Published online Journal of Computer Chemistry, Japan Vol.18, 176-186, by J-STAGE]
<Title:> 原子欠損あるいはBoronやNitrogen原子置換を有するグラフェン並びにシリセンの電子構造
<Author(s):> 佐藤　万紗子, 鈴木　郁哉, 神保　佳永子, 武田　京三郎
<Corresponding author E-Mill:> takeda(at)waseda.jp
<Abstract:> 第一原理クラスター計算により決定された局所構造変形を採り入れたグラフェンおよびシリセンにおける原子欠損並びに原子置換に伴う電子状態を強結合(Tight Binding; TB)バンド計算を用いて算出した． 置換原子としてはπ電子欠損を発生するBoron (B)およびπ電子余剰を発生するNitrogen (N)，さらにはBとN対置換を含むπ電子補償系を考察し，それらのバンド構造を明らかにした．
<Keywords:>
<URL:> https://www.jstage.jst.go.jp/article/jccj/18/4/18_2019-0009/_article/-char/ja/

[Published online Journal of Computer Chemistry, Japan Vol.18, 187-193, by J-STAGE]
<Title:> モデルの適用範囲の考慮したアンサンブル学習法の開発
<Author(s):> 佐藤　圭悟, 金子　弘昌
<Corresponding author E-Mill:> hkaneko(at)meiji.ac.jp
<Abstract:> 定量的構造活性相関や定量的構造物性相関では，それぞれ化合物の活性・物性 y と化学構造の特徴を数値した分子記述子 x との間の関係を定量的にモデル化する．回帰モデルの予測性能を向上させるため，アンサンブル学習では複数のサブモデルを構築し，サブモデルからの y の予測値を統合して最終的な y の予測値を計算する．各サブモデルの適用範囲 (applicability domain, AD) を考慮することで，AD 内のサブモデルのみ用いてアンサンブル学習における予測性能が向上することは確認されているが，x が異なるサブデータセット間で AD の比較はできず，新しいサンプルごとにサブモデルを選択したり重み付けしたりして y の値を予測することはできなかった．そこで本研究では AD の指標の 1 つである similarity-weighted root-mean-square distance (wRMSD) に着目し，wRMSD に基づいてサブモデルの重み付けを行う wRMSD-based AD considering ensemble learning (WEL) を開発した．wRMSD は y のスケールであるため x の異なるサブモデル間で AD の比較ができ，wRMSD に基づいて各サブモデルからの y の予測値に重み付けすることで，予測値の信頼性の高いサブモデルほど重みを大きくして予測することが可能となる．水溶解度・毒性・薬理活性それぞれが測定された 3 つの化合物データセットを用いた解析をしたところ，WEL を用いることで従来のアンサンブル学習法と比較して AD が広がり予測性能が向上することを確認した．WEL の Python コードは https://github.com/hkaneko1985/wel から利用可能である．
<Keywords:> Ensemble learning, Regression, Applicability domain, QSAR, QSPR
<URL:> https://www.jstage.jst.go.jp/article/jccj/18/4/18_2019-0010/_article/-char/ja/