2013 Fiscal Year Research-status Report
分子動力学計算を速く正確に安定に実行するための基盤技術の開発
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25390156
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Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
福田 育夫 大阪大学, たんぱく質研究所, 招へい研究員(准教授) (40643185)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 分子動力学 / 計算科学 / 数値計算 / 数値積分 / 相互作用計算 / 力学系 / 運動方程式 / サンプリング |
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| Research Abstract |
分子動力学(MD)で用いられる非ハミルトン系において，滑らかかつ厳密な1ステップ写像が得られるようなベクトル場の分解法及び得られた写像の効果的合成法を検討した。これにより高精度で安定性に富む数値積分法を構築できるようになる。この際、単位時間辺りの長距離相互作用(LRI)の評価回数に対して積分精度を上げるように留意し、MD計算が速く行える方法を探った。具体的検証として、不変量の測定とその統計処理、各変量の分布関数の測定、各写像合成の精度と計算コストの測定を行った。
MD計算をより速く実現するためには，低コスト化という一般的観点に加え，系の時間発展がエネルギー関数の極小点に捉えられる等、MD計算における特別な事情を鑑みる必要がある。このようなトラップから系の時間発展を開放しつつ、かつ系の統計力学的記述を可能にする手法として拡張アンサンブルの手法が有効である。本研究において、数値積分が容易である等の柔軟性に富む拡張アンサンブルの手法の構築を行った。これは、新しい運動方程式を提案するものであり、実現確率分布等についての理論整備を行ない、連携研究者と共に、モデル系・生体分子系での数値検証を行った。
勿論、MD計算の低コスト化のためには、1ステップにおけるLRI計算回数の削減とともに、1回の計算自体の精度を保ちつつコストを下げることも有効である。代表者らは既にzero-dipole summation 法と呼ぶカットオフベースの方法を開発し、大規模系で十分コストを低くできる技術を有するが、課題として、広い応用分野を持つ生体分子系における十分な精度検証及びさらなる精度向上があった。このため、膜蛋白質系などの様々な系に当該方法を適用し十分な精度が得られていること、さらに、カットオフ球内のマルチポールの中性条件に着目したzero-multipole summation 法を構築して分子系やイオン系等での精度向上を確認した。
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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
数値積分法では溶媒中のペプチド・蛋白系等を扱っているが、そこでの効率化は、様々な理論的角度からの考察を必要とし、高効率化は容易ではないが、従来の方法より効率化はできている。しかしさらなる系統的な検証が求められる。拡張アンサンブル法の構築については、いくつかの方法を考案し、理論的にも非常に興味深い結果を得ている。また、研究成果の応用やその波及効果についても期待を持っている。zero-multipole summation 法の開発については、予定を前倒しして研究を遂行することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
積分法については、多角的にアイデアを取り入れ、さらなる高効率化を目指す。拡張アンサンブル法については、今年度検討した様々なアイデアを整理し、サンプリング手法としての高性能化を目指すとともに、より広い見地からの応用可能性を探ることも必要だと考えている。LRI計算については、さらに高精度化の余地があることが分かってきたので、研究計画に若干の修正を加えても、これらの可能性について探って行くようにしたい。
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