最近利用が可能となったX 線自由電子レーザーは，高輝度フェムト秒パルスの特性を有し，素早く変化するタンパク質の構造を高い空間・時間分解能で捉えることが期待されている．本稿では，X 線自由電子レーザーを用いたタンパク質結晶構造解析であるシリアルフェムト秒結晶構造解析について取り上げ，分子動画としてどのように構造変化を捉えているのか実験方法を中心に紹介する．

X 線結晶構造解析は生体高分子の原子レベルでの詳細な構造情報を得るために必要不可欠な実験手法である. その一方，観測のために分子を結晶状態やクライオ状態にする必要があるため，本来興味のある溶液中の生理的環境下での生体分子の構造や運動をどの程度正確に反映しているかについては考慮が必要である． 本稿ではこれまで行ってきた分子動力学シミュレーションによりX 線結晶構造解析のデータに関するこれらの疑問に答えを与えるための試みのいくつかを紹介する．

タンパク質分子はエネルギー・物質変換やシグナル伝達などを担う顕著な分子機能を有する．精緻に折りたたまれたタンパク質構造は補因子や基質分子を結合し，酵素化学反応などの局所的な化学的過程とタンパク質構造の大域的な構造変化が共役することにより分子機能を達成する．このような分子機能を理解するために，分光学や構造生物学などの実験や分子シミュレーションなどの計算化学的アプローチによる研究が行われてきた．更に，近年の時間分解X 線結晶構造解析の開発や分子シミュレーションの方法論の進展により，分子機能に関わるダイナミクスを直接観測することが可能となっている．本稿では，分子機能メカニズムの解明を目指す我々の分子シミュレーションの方法論の開発，及びその適用による膜輸送体タンパク質の機能活性化ダイナミクスの理論予測に関する研究を解説する．

代表的な微生物型ロドプシンであるバクテリオロドプシン（BR）を対象とし，大規模量子分子動力学法を用いて，その一方向的・能動的な光駆動プロトンポンプ機能を担うプロトン移動反応過程の解析を行った．具体的には，2016 年にX 線自由電子レーザーによって撮像されたBR の光反応サイクル中間体に関する分子動画に基づき，BR のL 型中間体におけるシッフ塩基からAsp85 への1 段階目のプロトン移動反応を対象とした分割統治型密度汎関数強束縛（DC-DFTB）メタダイナミクス計算を実行した．その結果，L 型中間体で特異的に出現する内部水分子Wat452 がThr89 を介してAsp85 へとリレー形式でプロトンを受け渡した後，生じた水酸化物イオン（OH⁻）中間体がシッフ塩基からプロトンを受け取ることにより，1 段階目のプロトン移動反応が進行することが明らかになった．

水素結合は生体分子の機能にとって重要な役割を果たす相互作用であるが, 近年, 生体分子研究の重要なツールとなっている分子動力学シミュレーションでは, 極性原子の非共有電子対を考慮していないため, 水素結合の方向性を正しく取り扱えていない可能性が高い. そこで本研究においては, 非共有電子対を新たな電荷サイトとして露わに扱う電荷モデルを分子動力学シミュレーションの力場に導入し, 水素結合方向性に対して非共有電子対が与える影響を評価した.

蛋白質からリガンドが解離する際，リガンドが結合していた場所は水分子に置き換わる．そのため，リガンド解離において水分子が関係していることは確かである．しかし，リガンド解離の起源について「水のアクセスが蛋白質－リガンド解離を引き起こすのか，それとも，リガンド解離の結果として水がアクセスするのか」といった部分は明確になっていない．本稿では，蛋白質表面を模擬したモデル結合サイトとトリプシン－ベンズアミジンの分子動力学シミュレーションから，水のアクセスとリガンド解離の関係を検証した最近の研究成果について紹介する．水のアクセスs とリガンド解離r の２つを変数とした自由エネルギー地形G(r;s) を解析することで，両者の関係が明らかになってきた．

これまでは分子シミュレーションの方法について説明してきた．これからは，分子シミュレーションから得られた座標と運動量(分子動力学法のみ)を用いて得られる熱力学的性質，構造的性質，輸送係数，スペクトルの計算方法について説明する．これらの諸量は，実験的に測定される量であるので，分子シミュレーションの方法の検証ができると同時に，自然界で起こっている現象を分子シミュレーションにより原子レベルで詳細に調べることが可能である．今回は，構造的性質の計算方法について説明する．

ポリロタキサンとは一本の長い高分子鎖に多数の環状分子が包接した超分子構造を持つ超分子ポリマーであり，環状分子が軸高分子上をスライド並びに回転することができるという特異なダイナミクスを有する．このスライド運動の存在によりポリロタキサンを応用した材料は従来の高分子材料にない特異な物性を示し，これらの材料は環動高分子材料と呼ばれる．特にポリロタキサンの環状分子同士を架橋することで環動ゲルと呼ばれる柔軟・強靭な高分子ゲルを形成し，従来の固定架橋ゲルと全く異なる構造を持つ.しかしながら，これらの優れた力学物性の起源は明らかになっていなかった．そこで本研究では分子動力学（MD）法を用いてポリロタキサンのダイナミクスの解明，並びに環動ゲルの物性発現メカニズムの解明を試みた．

界面張力は, 不均一系の構造生成における自由エネルギーの記述に重要な役割をはたすが, 分子論的な理解が進んでいない系も多い. 代表例として, 水中での両親媒性分子の球状ミセル形成と, 非溶媒誘起相分離による多孔質形成が挙げられる. 本研究では, これらの分子論的描像を明らかにするため, 両親媒性分子/溶液および固体高分子/溶液に働く界面張力の解析方法を提案した. 前者の解析のため, ミセル中心を原点とした, 任意の半径の球面に作用する局所圧力テンソルから界面張力を求める方法を提案し, 球状SDS ミセルの構造安定性に対する, 界面張力の寄与を分子レベルで明確化した. 後者の解析のため, 結晶および非晶表面上の液滴のMD と修正Young の式, Cassie 方程式を組合せた評価方法を提案し, 高分子の微視的構造と溶液組成の変化に対する濡れ性および界面張力変化を, 界面の分子構造と相互作用に結び付けることに成功した.