単純なコア(CPU)を多数集積した、メニーコアプロセッサが、近い将来有望な計算機アーキテクチャと言われている。これら新型プロセッサはINTEL社の汎用CPUより一桁速く、科学技術計算などにも役立つようになってきた。本講演ではこれら新しいプロセッサを紹介し、最も使い易いグラフィックボード（graphics processing unit、GPU）を量子シミュレーションに応用した事例を紹介する。

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我々は，末端にカルボキシル基やアミノ基をもつ自己組織化単分子膜で，溶液のpHを変化させることにより末端解離基を解離させ，電解質溶液中に存在する[Ru(NH3)]2+/3+, [Fe(CN)6]3-/4-等の酸化還元体のCVおよびインピーダンス測定を行い，そのみかけの速度定数を求めた。モンテカルロシミュレーションを用いた電気二重層の数値解Butler-Volmer-Frumkin理論を結合したモデルで解析した。

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任意の有機化合物を対象とし、変異原性の有無を高い精度で判定することが可能な統計モデルの構築を行った。構造記述子を入力とする複数のSVMモデルを構築し、それらの出力を統合することで、復帰突然変異試験の結果を高い精度で予測可能であることを示した。6,512化合物からなるデータセットを用いてモデルの構築および評価を行った結果、テストセットに対する予測正解率は79.60%であった。

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水処理に使用するMBR(membrane bioreactor)は分散設置をすることで、短時間で多量の処理水を生産可能にする。しかし、分散設置のためには膜差圧がある水準に達し、膜洗浄を行う時期を予測する必要がある。本研究はケモメトリックスの手法を用いて、MBRにおける将来の膜差圧を予測する。これにより、膜洗浄時期の推定や最適な運転条件の探索が可能となる。

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創薬スクリーニングのための化合物バーチャルライブラリには規模と多様性が求められる一方、バーチャルであるがゆえに高スコアの化合物を得ても、その合成検討にコストがかかる。我々は、反応データベースから抽出した構造変化トランスフォームを活用し、反応前後の各化合物の実現性を確保しつつ多様性を目指して反応条件付き反応スキームとして提示するシステムを開発し、合成ルートを内包する化合物バーチャルライブラリを構築した。

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量子化学計算を行うためには，高速で計算可能なハードウエアの整備，それにあわせたソフトウエアの整備と利用法に習熟する必要がある。これら は，計算を専門としない化学者にとってハードルは高い。量子化学計算の結果がネットを通して得ることができるデータベースの存在は，一般の化学者 にとって有用と考えられる。本研究では，我々が現在構築している量子化学計算結果のデータベースの概要と機能について述べる。

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反応に及ぼす溶媒効果は、実験や理論計算を用いて古くから研究が行われてきた。しかし、実験では溶媒の挙動を統計的にしか観測できず、分子論的な考察は難しいとされている。我々の研究室では、化学反応に及ばす溶媒の効果を評価することのできるQM/MC/FEP法を開発し、実際の系への適用を行い、実測値をよく再現することを明らかにしてきた。本研究では、Prilezhaev反応を扱い、実測した液相中における熱力学パラメータと理論計算により導かれた気相中における値を比較することにより、溶媒効果の分子論的な解析を行った。

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分子が大きく複雑になるほどその配座異性体の数も増加し、また配座異性体間の相互変換の関係も複雑になる。そのため、例えばタンパク質のフォールディング問題や配座変換を伴うダイナミクスなどを詳細に配座解析するためには、それらの配座空間を理解しやすいように可視化することも重要である。そこで、我々は球面トポロジー表現による配座空間の可視化手法を開発した。

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We study the effect of chemical composition in copolymers of ethylene and higher α-olefins, butene-1 (PEB), hexene-1 (PEH), octene-1 (PEO) and decene-1 (PED) on the structural, conformational and thermodynamic properties of their melts. To this end, we perform extensive simulations using a connectivity altering Monte Carlo method extended to short chain branched copolymers. Good equilibration of the systems considered (melts of long chains containing on average 1000 carbon atoms in the backbone and up to 20-40 mol% of α-olefin) has been achieved. The calculated values of radii of gyration, <S2>, plotted against the weight fraction of side chains, fb, fall approximately on a single curve, in agreement with experiment based correlations. The observed reduction of chain dimensions is due to an increase in the population of gauche conformational states along the backbones. Other properties, such as cohesive energies and primitive paths from topological analyses of melts also form common curves when plotted with respect to fb. Molecular mechanisms underlying the observed evolution in structural and thermodynamic properties will be discussed.

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直線型及びジグザグ型アレン類及び六員環、四員環を含むフェニレン類に対し新しく提案した『反対称型ケクレ構造組み合わせ法」（CMAK法）を用いて構造予測を行ないAb Initio分子軌道法で計算した結果と比較しその有効性を示す。また、これらの各環に対する芳香族性を求めCMAK法から得られた構造特性の妥当性を示す。これらの結果から未だ解決されていない直線型およびジグザグ型アレン類の反応性の違いを説明づけた。

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アルファヘリックスはタンパク質を形成する重要な構造要素の１つである。アルファヘリックス構造が左巻きと右巻き間で変化するとき、主鎖はどのような変化の過程をたどるのか、構造変化にどのようなエネルギーがか、量子化学計算により考察した。

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化学プラントでは測定困難なプロセス変数を推定する手法として、ソフトセンサーが広く用いられている。ソフトセンサーで扱うプロセスデータにおいては、説明変数間に強い共線性があり、目的変数に影響度の大きい少数の変数の組を選択することが望まれている。そこで我々は、各種波長領域選択手法を駆使し、動特性を考慮に入れた上で変数選択を行う手法を開発した。本手法と従来手法を比較することで、本手法の優位性を示した。

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多くの蒸留プロセスでは、共沸現象が重要な問題であるため、設計段階から共沸有無の考慮が必要となる。今回は、任意の圧力における共沸有無を予測するため、説明変数に圧力を追加してSVM解析を行った。さらに、水素結合などの分子間力を正確に表現するため、同一の原子団を持っている溶媒グループのみを用いて共沸予測モデルを構築した。本研究で開発したモデルは任意の圧力下での精度高い共沸予測に利用できると期待される。

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化学プラントにおいて測定困難なプロセス変数を予測する手法として、ソフトセンサーが広く用いられている。現在多くの予測モデルが提案されているが、ある予測対象に対する予測能力はモデルによって異なる。そこで本研究では各種ソフトセンサー手法を管理する手法を提案した。対象に対してモデル更新の有無や最適なモデルの選択をおこない、モデル更新頻度の低下と予測精度の向上を目指した。

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エステル加水分解酵素Lipase A from Bacillus subtilis 168 (LipA)は、(R)-IPGを(S)-IPGよりも多く産生する。このエナンチオ選択性発現の機構を解明するため、2つの結晶構造1R50と1R4Zを基にしてGamess/FMO法により酵素残基が基質に及ぼす相互作用エネルギーを、MOPAC PM3法により反応の第一段階の活性化エネルギーを計算した。

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カゼインキナーゼ2 （CK2） は、癌、感染症、腎炎等の疾患の標的タンパク質と考えられており、多様な骨格を有する阻害剤が報告されている。これらの多くはCK2の補酵素であるATPの結合部位に結合し、ATP競合型の阻害様式を示す。一方、アカミノキ由来の阻害剤ヘマテインは、ATP結合部位に加え、他の部位にも結合し混合阻害型の様式を示すことが報告されているが、その結合様式は明らかにされていない。そこで、ヘマテインのCK2への結合様式をドッキングシミュレーションとMM/PBSA法により予測した。

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アルキル及びアリールピラジン類は、血小板内のシクロオキシゲナーゼを阻害することにより血小板凝集阻害作用を引き起こすと報告されている。本研究は48種のピラジン類の Protein- Ligand Docking を Molecular Operating Environment (MOE) で行った。また、ABINIT-MP を用いて全電子計算を行い Ligand 周辺のアミノ酸との相互作用を詳細に検討した。

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フェノチアジン類およびフェノキサジン類は抗精神作用、抗腫瘍活性を示す化合物類と知られている。しかしながら標的受容体は明確でない。そこで、MOE のタンパク質データベースからランダムに選択した11491件の受容体とドッキングシミュレーションを行い、受容体とリガンド間の相互作用エネルギーの和である U_dock の値を指標に、標的受容体を網羅的に探索した。

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近年、NO2分子が半導体型カーボンナノチューブ(CNT)の表面に吸着することにより、そのコンダクタンスが上昇することが知られている。NO2分子は大気汚染物質であり、その排出量に対して厳しい規制がかせられている。このため、このメカニズムを利用したCNTベースの検出センサーの開発が期待されている。本研究では、CNTにNO2分子を化学吸着させることによって生じるコンダクタンス変化のメカニズムを、第一原理計算を用いて評価する。

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炭素ナノチューブにおける欠陥は炭素ナノチューブの物理的な性質(電子的性質、力学的強度、光学的性質)に大きな影響を与える。欠陥には空孔、Stole-Wales 欠陥、水素原子やフッ素原子などのヘテロ原子がある。こ欠陥のないアームチェア炭素ナノチューブは、そのHOMO-LUMOギャップが筒の長さ方向のベンゼン環の層の数の増大と共に周期3で振動することが知られている。本研究では、半経験的方法の一つであるPM3を用いて、Stone-Wales欠陥がアームチェア炭素ナノチューブのHOMO-LUMOギャップの振動にどのような影響を与えるのかを理論的に検討した。

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化学物質には人体や生態系に有害であるものが少なからず存在し、環境中に放出されている。その懸念から化学物質の環境リスクを評価するシステムは様々な形で開発されているが、実験値を必要とすることが多く、広範な化学物質に適用するのは難しい。本研究では広範な化学物質に対する環境リスク評価が可能なシステムの構築を目的に、実験値に替わり化学物質の構造に基づく予測モデルによる推定値を導入することを試みた。

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21世紀に入り、文献（反応）データベースの検索機能および利用環境が著しく改善された結果、合成経路設計システムの多くは、ほとんど普及していない。我々が開発した合成経路設計システムSYNSUPと、文献（反応）データベースSciFinder, reaxys, ISISとの機能比較を行い、合成研究においてSYNSUPと文献データベースとの併用の有効性について述べる。

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カルボニル酸素と共役結合で繋がれたビニルアルコール水素が水素結合を構成する系は共鳴支援水素結合系と呼ばれている。縮環シクロヘキセン-1,2-ジオンのエノールにおける分子内水素結合系では共役系の長さと配置により、水素結合型構造の有無が系の芳香族的性質に大きく影響することを理論計算により示してきた。特に5員環を縮環した系においては水素移動の途中で三重項状態に移ることが示された。そこで、縮環している3,5,7員環の配置の違い含めて三重項状態での分子内水素結合による本系における芳香族性の変化について検討した。

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高効率な有機EL素子を実現するために、高い移動度を示しエネルギー散逸(消費電力)の小さいキャリア輸送材料が求められている。そのためには、振電相互作用を抑制することが必要である。振電相互作用密度の概念を用いれば、その制御が可能となる。本発表では、そのための分子設計指針を示し、新規な電子輸送材料の設計例について議論する。

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二酸化炭素の分離回収には水酸基を持つアミン化合物による化学吸収法が幅広く用いられており、吸収液として高い吸収速度と放散量を持つ化合物が必要とされている。本研究では、物性が既知のアミン化合物群に対して半経験的分子軌道法を用いた化学構造の記述子化を行い、ケモメトリックス手法を用いて物性予測モデル構築を試みた。コンピュータ上で網羅的に発生させた構造をモデルに入力することで、吸収液として優れたアミン化合物の探索を行った。

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創薬および生命化学において、順序カテゴリーデータの解析はしばしば困難をともなう。アンサンブル学習を組み合わせた順序カテゴリー解析手法であるBoosting-ERDAにより、精度と汎化力を両立するモデルの構築が可能である。今回、さらに説明変数の重みを取得するなどの改良を行い、情報の抽出が可能となった。多剤耐性克服試薬に対し、Boosting-ERDAを適用し、定量的構造活性相関解析を行ったので、その結果を報告する。

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近年、遺伝子疾患の治療法の一つとして応用が期待されるRNAi法において、核酸であるsiRNAを効率的に細胞内へ導入するトランスフェクション試薬の開発が進行している。試薬の構造により核酸導入の効率及び遺伝子発現抑制率は大きく異なるため、効率的な試薬開発にむけて適切な試薬の構造を予測する必要がある。そこで我々は、ケモインフォマティックス手法を用いて、試薬の構造から遺伝子発現抑制率を予測するモデルの構築を検討した。

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新規に合成したアリールカルボニトリル類は、溶媒や結晶状態に依存した特異的な蛍光強度変調を示す。この特異的蛍光特性を解析することを目的として、第一励起状態についてCASSCF計算を実行してポテンシャル局面様相を詳しく調べた。アリール間捻れ角の増大に伴うS0-S1ギャップの縮小が観測され、円錐交差が関与した高速無輻射遷移が示唆された。

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パーキンソン疾病に関連したタンパク質DJ-1について、フラグメントMO法およびMM-PBSA法を用いて、リガンド化合物と活性サイトCys106近傍での相互作用を解析した。DJ-1との特異的相互作用が報告されているリガンド化合物との結合様相を、FMO法のPIEDA解析を用いてアミノ酸残基単位で解析した。

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生体関連分子系や酵素では、一つ一つは小さく弱い相互作用が多数集まって分子系総体の形状や反応性を決定していて、このような系の量子化学研究では高精度の量子化学計算を行う必要がある。この計算において最適分子軌道を求めるには、従来よりも厳しい収束判定基準を用いる必要があり、また、収束方法も効率良い方法を用いる必要がある。計算精度を勘案しながら最適分子軌道をより効率良く求める２次収束法について報告する。

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密度汎関数(DF)法は，タンパク質などの大規模分子にも有用な標準電子状態計算法である．その交換相関項は，一般にグリッドを用いた数値積分法で計算されるが，大規模DF計算ではその有効計算精度と計算速度が問題となる．これまでの研究から，同じ点数のグリッドを用いても，その回転によって計算精度が大きく変化することがわかっている．本研究では，数値積分の精度とグリッドの回転について研究を行った．

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計算時間を要する高精度のバーチャルスクリーニング手法の対象とする化合物を選択するための予備的化合物選択手法の開発途上で、標準的なDUDデータセットは、これらの手法の評価には適切でないことを見出した。本発表では、DUDデータセットの特性を報告し、予備的化合物選択のためのバーチャルスクリーニング向けの評価法を提案する。

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様々な置換基を持つ一連のフレロピロリジン誘導体（１）について，密度汎関数理論を使った電子状態計算をおこなった．その結果，（１）をアクセプターとするポリチオフェンベースの太陽電池の開放端電圧が，（１）のLUMOエネルギーと比較的強い正の相関を示すことが分かった．このことは，上記太陽電池の光起電力生成過程がバルクへテロジャンクション機構に支配されていることを示唆している．

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FEP/TI法により生体高分子化合物と複数リガンド間の結合自由エネルギー差を予測する事を目的として、活性化血液凝固因子？]a(F？]a)とその阻害剤との複合体で検討を行った。F？]a複合体には分子力学モデルでは正しく評価できない非古典的な分子間相互作用が結合に重要であり、それを踏まえ様々な条件でFEP/TI計算を行った。その結果について報告する。

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現在、トランジスタやスイッチなどの電子デバイス素子を分子で代用する単分子デバイスの研究は、素子のさらなる微細化を可能にするとして高く注目されている。中でもビフェニルやテルフェニルなどのベンゼン鎖は、ベンゼン環の回転によるスイッチング機能の発現が期待されている。そこで、分子の鎖長やベンゼン環の回転角、置換基の導入などによりベンゼン鎖のスイッチング機能が受ける影響について第一原理電子輸送特性計算を用いて評価する。

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画像診断の分野で，診断の迅速化および医師の診断支援を目的に，健常者と患者の画像データを統計的に比較する手法が考案されてきた。しかし複数の疾患の可能性を比較，検討し，予測するためには，健常者と患者の判別だけでなく，疾患同士の比較，判別が必要である。そこで，脳血流画像の座標点を脳の機能区分に分け，分類に必要な区分を選択し，サポートベクターマシンによるアルツハイマー病とパーキンソン病の分類に取り組んだ。

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非経験的分子軌道法を用いてA-DNAとB-DNAの核酸塩基間相互作用における多体効果について調べた。DNAの２重らせん構造の中での塩基対の重なりを再現しているモデルを用いて、２枚の塩基対が重なるときと３枚の塩基対が重なるときの塩基間相互作用におけるそれぞれの多体項を定量的に求めた。また、計算結果をもとに任意の長さのDNAオリゴマーの安定性を見積った。

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正20面体対称性ウイルス外殻蛋白質は同一の蛋白質単位60個の集合体であるため、その原子レベルでの解析のためには全体構造中でどの蛋白質単位がどのセルにあるかという対称性条件下での複雑な位置の把握が不可欠である。そこで、位置の把握、回転軸の解析、全体構造発生などを含めた解析プログラムをUNIXコマンド風に開発し公開した。蛋白質データバンク中に登録されているすべての正20面体対称性ウイルス外殻蛋白質ファイルの回転軸の分類などの応用結果とともに報告する。

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