カーボンナノチューブ（CNT）はナノ流体をベースとしたデバイスへの応用が期待されている．CNT 内での水の性質はバルクとは異なるため，そのようなデバイスを開発するにはCNT 内での水の性質をより深く理解する必要がある．ここでは，CNT 内の水分子に対する電場の影響を調べるため，分子動力学シミュレーションを行う．そして，電場によりエタノールまたはメタノールの水溶液の分離が生じることを示す．電場により水分子の双極子モーメントがそろってくるため，水分子は秩序だった構造を形成し，水分子間の静電相互作用が強くなり，CNT 内に水がいやすくなる．その結果，アルコール水溶液の分離が起こる．電場がない時には，アルコール分子がCNT 内を満たすようになる．この分離効果は，CNT の半径が小さい時に強くなる．一方，電場がある時には，静電相互作用はCNT の半径ではなく分子構造に依存するため，分離効果は半径の大きなCNT でも現れる．

ハイブリッド分子モデル quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM)法は, 溶液など巨大な系の電子状態の一部取り扱いを可能にする. しかしながら, QM/MM モデルを時間発展の分子動力学計算に応用する場合は, 拡散問題のために溶媒の量子化学効果を取り込むことができなかった. 近年, 著者らは拡散問題を解決し, 溶媒の量子化学効果を取り込むための計算手法 size-consistent multipartitioning (SCMP) QM/MM 法を提唱した. 本稿では, SCMP法の基本的な枠組みと応用例を紹介する.

我々が最近開発した, 非平衡不規則系で起こる化学反応を取り扱うことを目的とする第一原理分動力学(AIMD)法に関する二つの手法, すなわち, Lean Divide Conquer Density Functional Theory (LDC-DFT)法とOmni-Directional Multi-Scale Shock Technique (OD-MSST)法, および, これらの適用例を紹介する. LDC-DFT法に基づくAIMDシミュレーションは10,000原子以上の大規模不規則系で起こる化学反応を高精度に記述でき, 例えば触媒物質の大きさとその活性の相関を明らかにできるので工業的な利用を目的とした物質構造設計が行える. 一方, OD-MSST法に基づくAIMDシミュレーションは異方性材料に対する衝撃応答が誘発する化学反応の体系的な調査が行える. これはメカノケミストリ分野における材料設計に役立つ.

本稿では、私達が開発・公開している多体シミュレーションプログラム開発フレームワーク「FDPS (Framework for Developping Particle Simulators)」を紹介します。FDPS は、粒子シミュレーションを研究に使っている多くの研究者が、並列化や計算機アーキテクチャ固有のチューニングに多大な時間を費やすことなく、自分の扱いたい問題向けのシミュレーションプログラムを容易に作成できるようになることを目標として開発したフレームワークです。連載第一回の今回は、FDPS の開発の背景、考え方と、実際にどのようなことができるか、という簡単な例を紹介します。

GPU を利用するために必要なCUDA のインストール方法，GROMACS でGPU を利用するために必要なOpenMPI の設定，およびGROMACS でのGPU の使用方法を簡単に解説する．

細胞質の体積の約 30%は,生体分子で占められている.このような混み合った環境下では生体分子の立体 構 ,動態,反応性が希薄溶液環境と大きく異なることは従来の研究から示唆されているが,原子・分子レ ベルの解像度では十分に理解されていなかった.我々はバクテリア(マイコプラズマ・ジェニタリウム)の 細胞質を原子解像度でモデリングし,「京」コンピュータ上で超並列分子動力学シミュレータ GENESIS を用 いた大規模計算を行い,細胞内の生体分子ダイナミクスを原子レベルで再現した.さらに,得られたデータ から蛋白質-代謝物の相互作用や代謝物の細胞内動態を詳細に解析し,新たな知見を得た.

毎年, 計算機の演算能力の世界記録が塗り替えられている. こうした計算機の進化に後押しされて, 様々な分野でスーパーコンピュータの活用が進んできた. 創薬分野においても, 敬遠されてきた分子シミュレーションの活用が「京」の登場で現実的になってきている. 本稿では, なぜ創薬の現場で分子シミュレーションの活用が期待されているのか, その背景と学術的意味について丁寧に考察していく. また, 「京」を使った研究の経験を振り返り, ポスト「京」時代に何が新たな挑戦として期待されるのかを考える.

シトクロムcを対象に, 純水および尿素　水混合溶媒中で溶媒和がタンパク質構造に及ぼす影響のエネルギー論解析を行なった. 溶媒和自由エネルギーを全原子型分子シミュレーションとエネルギー表示溶液理論を用いて計算し, タンパク質ー溶媒間の静電相互作用, van der Waals 相互作用, および, 排除体積効果と溶媒和自由エネルギーの相関を解析した. その結果, 純水中では溶媒和自由エネルギーと静電相互作用が強い相関を持ち, van der Waals 相互作用と排除体積効果は自由エネルギーの変化に対して影響を及ぼさないことが分かった. 混合溶液中での尿素効果については, 純水と尿素　水混合溶媒間の移行自由エネルギーの解析を行なった. 移行自由エネルギーを水の寄与と尿素の寄与に分割した結果, 尿素の寄与が移行自由エネルギーの主要な寄与であった. 移行に伴うタンパク質ー溶媒間の相互作用エネルギー変化との相関を調べると, 移行自由エネルギーは van der Waals 相互作用と強い相関を持ち, 静電相互作用や排除体積効果とは相関が弱かった. 尿素によるタンパク質変性が van der Waals 相互作用に起因することを示す結果である. また, タンパク質主鎖　溶媒間の相互作用と側鎖　溶媒間の相互作用は, どちらも移行自由エネルギーと強い相関を持っていた.

メタンハイドレートをはじめとする包接水和物は, 天然ガスの採掘や輸送, 二酸化炭素の分離など, 様々な産業的な問題と関係している. 本稿では, 包接水和物の相転移に関する著者らの近年の分子動力学計算の結果を紹介する.

本記事では「京」コンピュータと汎用分子動力学計算ソフトウェアMODYLAS を用いて行った電解質水溶液中でのポリオウィルスエンプティカプシドの全原子分子動力学計算の概要を説明する. 生体系で重要な長距離静電相互作用を, 大規模並列に適した高速多重極展開法(FMM) により計算することで, 1,000 万原子規模の巨大系についても長時間の分子動力学計算を可能とした. 平衡状態でのトラジェクトリに対する解析から, ポリオウィルスカプシドの安定性についての分子論的知見を得た. 研究の過程で生じた大規模系特有の問題についても記す.