コンテンツにスキップ

英文维基 | 中文维基 | 日文维基 | 草榴社区

メタダイナミクス法

リンクを編集
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』

メタダイナミクス法（メタダイナミクスほう、英: Metadynamics (method)、MTD法、METAD法、MetaD法とも）は、計算物理、計算化学、計算生物学において用いられるコンピュータシミュレーション手法の一つである。エネルギー地形の形状によりエルゴード性が妨げられているような系における、自由エネルギーその他の状態量を計算する際に用いられる。アレッサンドロ・ライオとミケーレ・パリネロ（英語版）により2002年に初めて提案された手法で[1]、分子動力学シミュレーションにも用いられることが多い。MTD法は、適応バイアス分子動力学法[2]、適応反応座標力法[3]、局所上昇アンブレラサンプリング[4]などの数々の新しい手法と非常によく似ている。さらに新しくは、メタダイナミクス法とwell-tempered[訳語疑問点] メタダイナミクス法[5]は、重点サンプリング法（英語版）の文脈では適応バイアスポテンシャル設定法の特殊例であることがしめされている[6]。関連する手法として、ワン・ランダウ法が挙げられる[7]。

アルゴリズム

[編集]

この手法は、デフレーション法[8]、トンネリング法[9]、タブーサーチ法[10]、局所上昇法[11]、配座フラッディング法[12]、エンクヴィスト・カールストロム法[13]、適応バイアス力法[14]などの、多くの関連する手法を拡張するものである。

メタダイナミクス法は、略式に「自由エネルギーの落とし穴を計算上の砂で埋める」と説明される[15]。このアルゴリズムでは系が少数の反応座標で説明できることを仮定する。シミュレーション中、反応座標系上における系の位置が計算され、正のガウス関数型ポテンシャルが実際のエネルギー地形に加算される。こうすることで、以前の場所に系が戻ってくることを抑制する。シミュレーションが進行するにつれて、ガウス関数はどんどん足し上がって系はさらに元の場所に戻りづらくなっていき、エネルギー地形を完全に調べつくしてしまうに至ると、仮想ポテンシャルは平らになり、反応座標が激しく変動しはじめる。ここに至って、加算したガウス関数型ポテンシャルの総和の符号を反転してやれば、系のエネルギー地形が得られる。

あるガウス関数を加算してから次のガウス関数を加算するまでの時間間隔、およびガウス関数の高さと幅は、計算精度と計算コストのトレードオフを最適化するために調整する必要がある。単純にガウス関数のサイズを変更することにより、メタダイナミクス法は大きなガウス関数を使って粗いエネルギー地形を推定する用途にも、小さなガウス関数を使って精密にエネルギー地形を調査する用途にも使うことができる[1]。通常は、well-tempered[訳語疑問点] メタダイナミクス法[5]によりガウス関数のサイズは適応的に変更される。加えて、適応ガウシアンメタダイナミクス[16]によりガウス関数の幅を適応的に決定することもある。

適応アンブレラサンプリングなどの手法に比べて、メタダイナミクス法は問題エネルギー地形を最初に推定する必要がないという利点がある[1]。しかし、複雑なシミュレーションになってくると、適切な反応座標を選ぶことは単純な問題ではなくなってくる。典型的には、適切な反応座標を選ぶためには何回か試行を重ねる必要があるが、必須座標法[17]、スケッチ・マップ法[18]、非線形データ駆動反応座標法[19]など、この手順を自動化する試みも提案されている。

マルチレプリカアプローチ

[編集]

可用性と並列化効率を向上させるため、独立なメタダイナミクスシミュレーション（レプリカ）を複数組合せて行うことがある。この実行のために、マルチウォーカーMTD法[20]パラレルテンパリングMTD法[21]、バイアス交換MTD法[22]、反応座標テンパリングMTD法[23]など、様々な手法が提案されている。これらのうち後者3つは、パラレルテンパリング法に似て、サンプリングの改良のためにレプリカ交換を行なう。レプリカ交換にはメトロポリス・ヘイスティングス法を用いることが多いが、無限交換法[24]や諏訪・藤堂法[25]によりレプリカ交換速度を向上させることができる[26]。

応用

[編集]

メタダイナミクス法は、以下のような分野の研究に用いられる。

実装

[編集]

PLUMED

[編集]
→詳細は「PLUMED」を参照

PLUMED[31] は多数のMTD法と反応座標を実装するオープンソースライブラリである。オブジェクト指向で柔軟な設計がなされており[32][33]、いくつかの MD プログラム（AMBER、GROMACS、LAMMPS、NAMD、Quantum_ESPRESSO、CP2K）とのインターフェースが可能である[34][35]。

その他

[編集]

その他のMTD法の実装としては、LAMMPS、NAMD、Orac（英語版）、CP2K[36]、Desmond（英語版）などが挙げられる。

出典

[編集]
  1. ^ a b c Laio, A.; Parrinello, M. (2002). “Escaping free-energy minima”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 99 (20): 12562–12566. arXiv:cond-mat/0208352. Bibcode: 2002PNAS...9912562L. doi:10.1073/pnas.202427399. PMC 130499. PMID 12271136. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC130499/. 
  2. ^ Babin, V.; Roland, C.; Sagui, C. (2008). “Stabilization of resonance states by an asymptotic Coulomb potential”. J. Chem. Phys. 128 (2): 134101/1–134101/7. Bibcode: 2008JChPh.128b4101A. doi:10.1063/1.2821102. 
  3. ^ Barnett, C.B.; Naidoo, K.J. (2009). “Free Energies from Adaptive Reaction Coordinate Forces (FEARCF): An application to ring puckering”. Mol. Phys. 107 (8): 1243–1250. Bibcode: 2009MolPh.107.1243B. doi:10.1080/00268970902852608. 
  4. ^ Hansen, H.S.; Hünenberger, P.H. (2010). “Using the local elevation method to construct optimized umbrella sampling potentials: Calculation of the relative free energies and interconversion barriers of glucopyranose ring conformers in water”. J. Comput. Chem. 31 (1): 1–23. doi:10.1002/jcc.21253. PMID 19412904. 
  5. ^ a b Barducci, A.; Bussi, G.; Parrinello, M. (2008). “Well-Tempered Metadynamics: A Smoothly Converging and Tunable Free-Energy Method”. Physical Review Letters 100 (2): 020603. arXiv:0803.3861. Bibcode: 2008PhRvL.100b0603B. doi:10.1103/PhysRevLett.100.020603. PMID 18232845. 
  6. ^ Dickson, B.M. (2011). “Approaching a parameter-free metadynamics”. Phys. Rev. E 84: 037701–037703. arXiv:1106.4994. Bibcode: 2011PhRvE..84c7701D. doi:10.1103/PhysRevE.84.037701. http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevE.84.037701. 
  7. ^ Junghans, Christoph, Danny Perez, and Thomas Vogel.
  8. ^ Crippen, Gordon M.; Scheraga, Harold A. (1969). “Minimization of polypeptide energy. 8. Application of the deflation technique to a dipeptide”. Proceedings of the National Academy of Sciences 64 (1): 42–49. PMC 286123. PMID 5263023. http://www.pnas.org/content/64/1/42.abstract. 
  9. ^ Levy, A.V.; Montalvo, A. (1985). “The Tunneling Algorithm for the Global Minimization of Functions”. SIAM J. Sci. Stat. Comput. 6: 15–29. doi:10.1137/0906002. 
  10. ^ Glover, Fred (1989). “Tabu Search—Part I”. ORSA Journal on Computing 1 (3): 190–206. doi:10.1287/ijoc.1.3.190. 
  11. ^ Huber, T.; Torda, A.E.; van Gunsteren, W.F. (1994). “Local elevation: A method for improving the searching properties of molecular dynamics simulation”. J. Comput. -Aided. Mol. Des. 8 (6): 695–708. Bibcode: 1994JCAMD...8..695H. doi:10.1007/BF00124016. PMID 7738605. 
  12. ^ Grubmüller, H. (1995). “Predicting slow structural transitions in macromolecular systems: Conformational flooding”. Phys. Rev. E 52 (3): 2893–2906. Bibcode: 1995PhRvE..52.2893G. doi:10.1103/PhysRevE.52.2893. 
  13. ^ Engkvist, O.; Karlström, G. (1996). “A method to calculate the probability distribution for systems with large energy barriers”. Chem. Phys. 213: 63–76. Bibcode: 1996CP....213...63E. doi:10.1016/S0301-0104(96)00247-9. 
  14. ^ Darve, E.; Pohorille, A. (2001). “Calculating free energies using average force”. J. Chem. Phys. 115 (20): 9169. Bibcode: 2001JChPh.115.9169D. doi:10.1063/1.1410978. 
  15. ^ http://www.grs-sim.de/cms/upload/Carloni/Presentations/Marinelli.ppt[リンク切れ]
  16. ^ Branduardi, Davide; Bussi, Giovanni; Parrinello, Michele (2012-06-04). “Metadynamics with Adaptive Gaussians” (英語). Journal of Chemical Theory and Computation 8 (7): 2247–2254. doi:10.1021/ct3002464. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ct3002464. 
  17. ^ Spiwok, V.; Lipovová, P.; Králová, B. (2007). “Metadynamics in essential coordinates: free energy simulation of conformational changes”. The journal of physical chemistry. B 111 (12): 3073–3076. doi:10.1021/jp068587c. PMID 17388445. 
  18. ^ Ceriotti, Michele; Tribello, Gareth A.; Parrinello, Michele (2013-02-22). “Demonstrating the Transferability and the Descriptive Power of Sketch-Map” (英語). Journal of Chemical Theory and Computation 9 (3): 1521–1532. doi:10.1021/ct3010563. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ct3010563. 
  19. ^ Hashemian, Behrooz; Millán, Daniel; Arroyo, Marino (2013-12-07). “Modeling and enhanced sampling of molecular systems with smooth and nonlinear data-driven collective variables”. The Journal of Chemical Physics 139 (21): 214101. doi:10.1063/1.4830403. ISSN 0021-9606. http://scitation.aip.org/content/aip/journal/jcp/139/21/10.1063/1.4830403. 
  20. ^ Raiteri, Paolo; Laio, Alessandro; Gervasio, Francesco Luigi; Micheletti, Cristian; Parrinello, Michele (2005-10-28). “Efficient Reconstruction of Complex Free Energy Landscapes by Multiple Walkers Metadynamics †” (英語). The Journal of Physical Chemistry B 110 (8): 3533–3539. doi:10.1021/jp054359r. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp054359r. 
  21. ^ Bussi, Giovanni; Gervasio, Francesco Luigi; Laio, Alessandro; Parrinello, Michele (October 2006). “Free-Energy Landscape for β Hairpin Folding from Combined Parallel Tempering and Metadynamics”. Journal of the American Chemical Society 128 (41): 13435–13441. doi:10.1021/ja062463w. 
  22. ^ a b Piana, S.; Laio, A. (2007). “A bias-exchange approach to protein folding”. The journal of physical chemistry. B 111 (17): 4553–4559. doi:10.1021/jp067873l. PMID 17419610. 
  23. ^ Gil-Ley, Alejandro; Bussi, Giovanni (2015-02-19). “Enhanced Conformational Sampling Using Replica Exchange with Collective-Variable Tempering” (英語). Journal of Chemical Theory and Computation 11 (3): 1077–1085. doi:10.1021/ct5009087. PMC 4364913. PMID 25838811. https://doi.org/10.1021/ct5009087. 
  24. ^ Plattner, Nuria; Doll, J. D.; Dupuis, Paul; Wang, Hui; Liu, Yufei; Gubernatis, J. E. (2011-10-07). “An infinite swapping approach to the rare-event sampling problem”. The Journal of Chemical Physics 135 (13): 134111. doi:10.1063/1.3643325. ISSN 0021-9606. http://scitation.aip.org/content/aip/journal/jcp/135/13/10.1063/1.3643325. 
  25. ^ Suwa, Hidemaro (2010-01-01). “Markov Chain Monte Carlo Method without Detailed Balance”. Physical Review Letters 105 (12). doi:10.1103/PhysRevLett.105.120603. http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.105.120603. 
  26. ^ Galvelis, Raimondas; Sugita, Yuji (2015-07-15). “Replica state exchange metadynamics for improving the convergence of free energy estimates” (英語). Journal of Computational Chemistry 36 (19): 1446–1455. doi:10.1002/jcc.23945. ISSN 1096-987X. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jcc.23945/abstract. 
  27. ^ Ensing, B.; De Vivo, M.; Liu, Z.; Moore, P.; Klein, M. (2006). “Metadynamics as a tool for exploring free energy landscapes of chemical reactions”. Accounts of Chemical Research 39 (2): 73–81. doi:10.1021/ar040198i. PMID 16489726. 
  28. ^ Gervasio, F.; Laio, A.; Parrinello, M. (2005). “Flexible docking in solution using metadynamics”. Journal of the American Chemical Society 127 (8): 2600–2607. doi:10.1021/ja0445950. PMID 15725015. 
  29. ^ Vargiu, A. V.; Ruggerone, P.; Magistrato, A.; Carloni, P. (2008). “Dissociation of minor groove binders from DNA: insights from metadynamics simulations”. Nucleic Acids Research 36 (18): 5910–5921. doi:10.1093/nar/gkn561. PMC 2566863. PMID 18801848. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2566863/. 
  30. ^ Martoňák, R.; Laio, A.; Bernasconi, M.; Ceriani, C.; Raiteri, P.; Zipoli, F.; Parrinello, M. (2005). “Simulation of structural phase transitions by metadynamics”. Zeitschrift für Kristallographie 220 (5–6): 489. arXiv:cond-mat/0411559. Bibcode: 2005ZK....220..489M. doi:10.1524/zkri.220.5.489.65078. 
  31. ^ “PLUMED”. www.plumed.org. 2016年1月26日閲覧。
  32. ^ Bonomi, Massimiliano; Branduardi, Davide; Bussi, Giovanni; Camilloni, Carlo; Provasi, Davide; Raiteri, Paolo; Donadio, Davide; Marinelli, Fabrizio et al. (2009-10-01). “PLUMED: A portable plugin for free-energy calculations with molecular dynamics”. Computer Physics Communications 180 (10): 1961–1972. doi:10.1016/j.cpc.2009.05.011. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S001046550900157X. 
  33. ^ Tribello, Gareth A.; Bonomi, Massimiliano; Branduardi, Davide; Camilloni, Carlo; Bussi, Giovanni (2014-02-01). “PLUMED 2: New feathers for an old bird”. Computer Physics Communications 185 (2): 604–613. doi:10.1016/j.cpc.2013.09.018. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010465513003196. 
  34. ^ “MD engines - PLUMED”. www.plumed.org. 2016年2月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年1月26日閲覧。
  35. ^ “howto:install_with_plumed [CP2K Open Source Molecular Dynamics ]”. www.cp2k.org. 2016年1月26日閲覧。
  36. ^ http://manual.cp2k.org/trunk/CP2K_INPUT/MOTION/FREE_ENERGY/METADYN.html

関連項目

[編集]

外部リンク

[編集]
「https://ja-two.iwiki.icu/w/index.php?title=メタダイナミクス法&oldid=101094528」から取得