2021 Fiscal Year Research-status Report
高精度分子機能設計のための軌道相互作用解析－機械学習連携手法の開発
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21K12014
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
折本 裕一 九州大学, 総合理工学研究院, 学術研究員 (00398108)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 軌道相互作用解析 / 機械学習 / 分子機能設計 / ニューラルネットワーク / 電子状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
物質の高度な物性制御には究極的には電子状態を作り出している軌道相互作用を詳細に把握する必要がある。本課題では、軌道相互作用解析法Through-Space/Bond（TS/TB）解析法から得られる相互作用データをニューラルネットワーク(NN)の中間記述子として利用することで、物質の分子構造と特性の本質的な関係性抽出・理解が可能となるような物質の高度機能設計のための材料設計・創薬支援量子化学手法の構築を目指している。
課題初年度の令和3年度はまず、TS/TB解析法とNNの結合について検討した。TS/TB法は、基底関数を人為的に軌道収縮させることで軌道間相互作用をカットし、その前後の全エネルギーや分子特性の変化から相互作用の寄与を定量評価する。本検討の中で、現在TS/TB法が実装されている量子化学計算プログラムが古く今後の開発における支障が予想されたため、まずは最新プログラムへの移植を行った。その中で、TS/TB解析をより効率的に実施できるようアルゴリズム効率化や並列性向上、入力情報の簡素化などプログラム整備を行なった。さらに相互作用カットに関する問題点が新たに判明し、その課題解決も行った。開発プログラムを用いて、ＤＮＡ塩基対モデル分子上の様々な相互作用をカットして調べ、データベースを作成した。一方、巨大系に向けて令和5年度に結合予定の高速・高精度計算法Elongation法を別途用いてDNAと種々のリガンドの結合エネルギーを算出し、機械学習によってリガンドの特徴と結合エネルギー間に有意な関係を見出すことに成功した。
当初の年度目標まで到達できなかったが、基盤手法TS/TB解析法の整備と課題解決は今後の研究開発において意義が大きい。令和3年度の未到達分を含めて令和4年度の研究計画を効率的かつ着実に遂行していく。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
課題初年度である令和3年度は、定量的軌道相互作用解析法であるTS/TB解析法とニューラルネットワークを結合させ、相互作用―分子特性間の関係抽出を行う予定であったが、今後の研究遂行を見据えたTS/TB法の整備と課題解決に時間がかかり、年度内に予定していた結合作業とその検証まで到達できなかった。一方、基盤技術TS/TB法における問題点解決、及び、高速・高精度Elongation法によって得たデータからNN特徴量抽出が成功したことは予想以上の意義があったと考えており、総合的に「おおむね順調に進展している」という自己評価を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度に完了しなかったTS/TB解析法と機械学習の結合とその有効性検証を、令和4年度の前半のなるべく早い段階を目途に実施する。その後、当初令和4年度に予定していた、複数の相互作用を同時にカットすることによるシナジー効果を解析する。さらに、軌道相互作用を中間記述子として「構造－軌道相互作用－物性」の3者を結びつけ関係抽出を行う多段階ニューラルネットワーク構築を試みる。加えて、特性制御のための重要相互作用とその起源である構造因子を逆解析的に見出せるよう手法開発を行う。
研究推進においては、基盤技術の特長が損なわれることの無いよう十分留意し、計画見直しがあった際には、研究課題の意義・目標を再確認の上、優先順位を明らかにしつつ着実な計画遂行を心がける。
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| Causes of Carryover |
令和3年度は、TS/TB解析法とニューラルネットワークを結合させ、相互作用―分子特性間の関係抽出を行う予定であったが、基盤技術TS/TB法の整備と課題解決に予想以上に時間がかかり、年度内に予定まで到達できなかった。結合作業を念頭に予定していた高性能ワークステーションの購入を取りやめたことで物品費が予定を下回った。また、新型コロナウイルスの状況が改善せず、打ち合わせや成果発表の旅費が予定を下回った。謝金については、研究計画変更によって研究補助の必要性が増したため、予定を超える使用となった。これら予定変更の結果、未使用額が生じた。
次年度使用額の使用計画として、令和4年度の研究開発と検証に適宜組み込む。計算資源の確保、研究補助のための謝金使用を引き続き検討する。旅費については研究打ち合わせをはじめ、研究成果発表のために使用する。研究状況に応じて適宜使用計画を見直し、無駄のない効果的な運用を行う。
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