金属酵素は穏和な条件ながら高い効率と選択性で物質変換反応を実現させている．筆者は酸化還元反応などの開殻電子状態を伴う反応に着目し，分子シミュレーション技術の開発に取り組んできた．本稿では，開殻電子状態の計算における基本的な留意点を解説し，量子/古典混合分子動力学シミュレーションを用いた一重項酸素によるDNA の酸化損傷，ウレアーゼによる尿素加水分解に関する最近の研究成果を紹介する.

タンパク質は自由エネルギー地形上に存在する準安定状態の間を遷移することにより機能を発揮する. そのため, タンパク質機能を解明するうえで, 準安定状態間の遷移経路探索は重要である. 分子動力学計算(MD) は, 遷移経路を探索する強力なツールであるが, 通常のMD によりタンパク質がとりえる遷移経路を過不足なく探索することは難しい. 打開策として, 現在に至るまで様々なEnhanced-Sampling 法 (ES 法) が提案されてきた. 本稿では, 筆者らが開発したES 法である ”Parallel Cascade Selection MD (PaCS-MD)” に基づく効率的な遷移経路探索と遷移経路を記述する反応座標指定の重要性について紹介する.

有機分子にX 線を照射すると内殻イオン化・Auger 緩和の後に生成した電子励起2 価カチオンの無輻射失活や光解離などのX 線光化学反応が起きる．このX 線光化学反応には10²-10³ 電子励起状態が関与するため，効率的な反応動力学計算法が必要である．本稿では，2 空孔配置間相互作用法を用いてLinear-vibronic coupling モデルポテンシャルを構築し，そのうえでFewest-switching 法に基づくSurface-hopping 非断熱反応動力学計算を行った試みを紹介する．本手法を非ベンゼノイド系芳香族分子Tropone に適用した結果，100 状態以上の電子励起状態を数百fs で駆け下りていく超多段階無輻射失活過程の途中で100 fs 程度高エネルギー電子励起励起状態にトラップされることを見出した．

量子化学計算に基づく化学反応の解析では, 反応経路に沿った分子構造変化とエネルギー障壁に基づき反応性を議論する．最近では，反応経路の系統探索が可能になり，平衡構造が多数の反応経路によって網目状につながれた反応経路ネットワークの構築と，それに基づく反応機構解析が可能になってきた．また，反応経路ネットワークに基づく速度論的シミュレーションにより反応収率や反応時間も追跡できるようになった．本稿では，反応経路ネットワークを用いた化学反応解析の方法論と新規反応設計への展開について紹介する．

反応経路自動探索の計算手法の一つである人工力誘起反応（AFIR）法は，ポテンシャルエネルギー曲面（PES）上の安定構造や遷移状態，2 つのPES 間の交差曲面内の安定構造の自動探索を可能にし，様々な化学反応，触媒反応，酵素反応，表面反応，光反応，光機能性材料の理解の深化に大きく貢献してきた．本稿ではAFIR 法の概略や使い方を概説すると共に，複雑な反応座標を持つ不斉触媒反応系への応用例を紹介する．

本連載記事では，著者が「京」や「富岳」といった国のスパコンプロジェクトに10 年近く関与した経験およびそこで得た知識をもとに，分子動力学 (MD) 計算の大規模並列化のために必要な並列化プログラミングの技術，並列化効率を向上させるための方法論，最新ハードウェアの動向といった広範な話題について複数回に渡り解説する．

高級アルコール等の動的に揺らぐ中距離構造を有する液体中に溶けた溶質分子の並進拡散運動を，溶質サイズを変えて検討した．小さい溶質は流体力学モデルより一桁程度大きい拡散係数を示したが，溶質の重心位置を固定して力の相関関数から拡散係数を評価すると流体力学的挙動の回復が見られた．溶質に働くランダム力と溶媒和構造の揺らぎの相互相関の解析から，小さい溶質での流体力学モデルの破れは，溶質自身の運動によって溶質拡散と溶媒の中距離構造のダイナミクスとの間のカップリングが解けることに起因していることが分かった．

ポリマーの粘弾性は成形加工プロセスにおいて非常に重要な物性であるが，実験データの集積は特定のポリマー種や測定条件に限られている．そこで，計算による物性データの補完を目標に，ポリマーメルトの粘弾性を定量的に予測するためのマルチスケールシミュレーション技術を新たに構築し，ポリスチレンと Nylon6 を試行対象として粘弾性の予測精度を検証した．まず，ポリマーメルトに対する全原子MD シミュレ ーションを実施して，その結果を基に粗視化モデルと力場を構築した．次に, 粗視化モデルの動的シミュレーション結果から, さらに粗視化を進めたSlip-Spring モデルのパラメータを決定した．最終的には，全原子，粗視化，Slip-Spring の3 つのモデルの動的シミュレーションから算出した応力緩和曲線を繋ぎ合わせてマスターカーブを作成した．これを基に，時間・温度換算則を用いて，高温での計算結果から実用的な温度での溶融粘度及び貯蔵・損失弾性率を求めた結果，実験データと良好に一致した．

私は，混ざり合わない水油界面で起こるイオンの相間移動で引き起こされる相間移動触媒（PTC）反応[1] の反応機構解明を目指し分子動力学シミュレーション（MD）プログラムの開発，および解析を行ってきた． まず，PTC 反応におけるイオン輸送を促進する現象（FIT）に関して，極微量の疎水性対イオンが親水性イオンの界面移動を劇的に促進する実験事実に注目し，MD を用いた解析から微視的な輸送機構を明らかにした．その成果を発展させて，“水相から油相へのイオン輸送現象”と“輸送後のイオンの油相での化学反応”を分離して扱い，MD と量子化学計算によってPTC 反応の反応機構を微視的に解明した．