永瀬 茂 , 「ナノ分子と計算化学の進展」, 分子・物質に視点をおいたナノテクノロジー・ナノサイエンス, 九州 , 2004年 3月 . 永瀬 茂 , 「計算化学の進展―ナノサイズ分子へ」, 第３９回有機反応若手の会 , 東京 , 2004年 7 月 .
永瀬 茂 , 「分子機能とナノ構造」, 分子研研究会「分子機能の物理化学―理論・計算化学と分光学による新展開」, 岡 崎 , 2004 年 7 月 .
永瀬 茂 , 「ナノ分子と計算化学」, 第 2回 21C OE「実践的ナノ化学」国際シンポジウム, 東京 , 2004年 12月 .
李 秀栄、永瀬 茂, 「分子認識におけるC H/π相互作用の役割」, 立教大学反応解析講演会「カルボカチオンの安定性と 反応性および C H/π相互作用」, 東京 , 2004年 12月．
B -6) 学会および社会的活動 学協会役員、委員
WATOC (World Association of Theoretically Oriented Chemists) Scientific Board .
APACTCC (Asian Pacific Conference on Theoretical & Computational Chemistry) Scientific Board.
分子構造総合討論会運営委員会幹事 . フラーレン・ナノチューブ研究会幹事 . フラーレン若手の会世話人代表 （小林 郁）. 学会の組織委員
K orea-J apan J oint S ymposium on T heoretical and C omputational C hemistry 組織委員 . The First Asian Pacific Conference on Theoretical & Computational Chemistry 組織委員 .
文部科学省、学術振興会等の役員等
日本学術振興会特別研究員等審査会専門委員 . 独立行政法人科学技術振興機構領域アドバイザー.
日本化学会学術賞・進歩賞選考委員会委員 . 学会誌編集委員
Silicon Chemistry, Subject Editor.
J. Comput. Chem., Editorial Advisory Board.
B -7) 他大学での講義、客員
筑波大学第一学群自然学類 , 講義「ナノサイエンスと計算化学」, 2004年 6 月 . 千葉大学理学部化学科 , 集中講義「計算機有機化学」, 2004年 8 月 .
城西大学非常勤講師 , 2004年 4 月 -9 月 .
筑波大学先端学際領域研究センター併任教授 , 2002年 11月 - . 筑波大学 T A R A センター, 客員研究員 , 2002年 1月 - .
B -10)外部資金獲得
重点領域研究 , 「金属内包フラーレンの構造、電子状態、反応性の理論的研究」, 永瀬 茂 (1993年 -1995年).
重点領域研究 , 「高周期典型元素化合物の反応制御」, 永瀬 茂 (1992年 -1995年).
基盤研究(B ), 「ケイ素クラスターと遷移金属・炭素混合クラスターの構造解明と成長機構の理論研究」 , 永瀬 茂 (1995年-1997年).
基盤研究(B ), 「金属内包フラーレンの構造、物性、生成過程」, 永瀬 茂 (1997年 -1999年).
特定領域研究(A ), 「インターエレメント多重結合の理論研究」, 永瀬 茂 (1997年 -1999年).
特定領域研究(A ), 「高周期元素の特性と分子の形を利用した分子設計」, 永瀬茂 (1999年 -2001年).
基盤研究(B ), 「ナノスケールでの分子設計と反応の理論と計算システムの構築」, 永瀬 茂 (2002年 -2003年).
特定領域研究(A ), 「高周期元素とナノ柔構造の特性を利用した分子構築の理論と計算」, 永瀬 茂 (2003年 -2004年).
C ) 研究活動の課題と展望
新素材開発において，分子の特性をいかにしてナノスケールの機能として発現させるかは最近の課題である。このために，
炭素を中心とする第２周期元素ばかりでなく大きな可能性をもつ高周期元素およびナノ構造の特性を最大限に活用する分 子の設計と反応が重要である。サイズの大きい分子はさまざまな形状をとれるので，形状の違いにより電子，光，磁気特性ば かりでなく，空孔の内径を調節することによりゲスト分子との相互作用と取り込み様式も大きく変化させることができる。これら の骨格に異種原子や高周期元素を加えると，変化のバリエーションを飛躍的に増大させることができる。ナノスケールでの 分子設計理論と実用的な量子化学計算コンピューターシミュレーション法を確立し，新規な機能性分子を開発する。これら の分子を効率的に合成実現するためには，従来のように小さい分子から順次組み上げていくのではなく，自己集合的に一度 に組織化する機構の解明と理論予測はきわめて重要である。また，現在の量子化学的手法は，小さな分子の設計や構造，
電子状態，反応を精度よく取り扱えるが，ナノスケールでの取り扱いには飛躍的な進展が望まれている。
岡 本 祐 幸（助教授）
A -1)専門領域：生物化学物理、計算科学
A -2)研究課題
a) 蛋白質分子の第一原理からの立体構造予測問題および折り畳み問題 b)生体分子以外の系への拡張アンサンブル法の適用
A -3)研究活動の概略と主な成果
a) 蛋白質は自然界に存在する最も複雑な分子である。よって，その立体構造を予測することは（その生化学的機能との 関係上，極めて重要であるにもかかわらず）至難の業である。特に，理論的に第一原理から（自由エネルギーを最小化 することにより）立体構造を予測することは不可能と広く信じられている。それは，溶媒の効果を取り入れるのが困 難であるばかりでなく，系にエネルギー関数の極小状態が無数に存在するために，シミュレーションがそれらに留 まってしまって，世界最速のスーパーコンピューターをもってしても，最小エネルギー状態に到達するのが絶望的 であるからである。我々はシミュレーションがエネルギー極小状態に留まらない強力な計算手法を，蛋白質の立体 構造予測問題に適用することを提唱してきた。具体的には，徐冷法（ si mul ated anneal i ng ）及び拡張アンサンブル法
（generalized-ensemble algorithm）を導入し，これらの手法が小ペプチド系において従来の方法よりはるかに有効であ ることを示してきた。拡張アンサンブル法では，非ボルツマン的な重み因子に基づいて，ポテンシャルエネルギー空 間上の酔歩を実現することによって，エネルギー極小状態に留まるのを避ける。この手法の最大の特徴は唯一回の シミュレーションの結果から，最小エネルギー状態ばかりでなく，物理量の任意の温度におけるアンサンブル平均 を 求 め る こ と が で き る こ とで あ る 。拡張 ア ン サ ンブ ル 法 の 代表 的 な 例 がマ ル チ カ ノニ カ ル 法（ mul ti c anoni c al algorithm）と焼き戻し法（simulated tempering）であるが，これらの二手法ではその重み因子を決定することが自明で はない。この問題を克服するため，我々は新たにT sallis統計に基づく拡張アンサンブル法やレプリカ交換法 （replica-exchange method）の分子動力学法版を開発したりしてきた。特に，レプリカ交換分子動力学法はその適用が簡便であ るために，我々の発表とともにすぐに受け入れられ，現在では国内外のタンパク質の折りたたみシミュレーション における有力グループが相次いで採用している。更には，正確な溶媒の効果をエネルギー関数に取り入れていくこ とも大切であるが，距離に依存した誘電率で表すもの（レベル１）や溶質の溶媒への露出表面積に比例する項（レベ ル２）を試すとともに，厳密な溶媒効果（レベル３）として，R IS M やS PT などの液体の統計力学に基づくものや水分 子をあらわにシミュレーションに取り入れること等を検討してきた。
本年度は，２０００年に我々が開発したレプリカ交換焼き戻し法（R E S T ）の更なる改良版として，焼き戻しレプリカ交 換法（S T R E M）を新たに開発した。また，R IS M理論とレプリカ交換法を合体させた新手法も開発した。更に，昨年開 発されたタンパク質の折り畳みの遷移状態を詳しく調べることができる新しい拡張アンサンブル法（マルチオー バーラップ法）の分子動力学法版を開発した。これらの新拡張アンサンブル法はタンパク質の折り畳み問題に適用 するのに有効な手法として期待される。拡張アンサンブル法をレベル３の厳密な溶媒効果を取り入れた（T IP3Pの水 分 子を あらわ に取 り 入れ た ）アミノ 酸 数が 十 数個 の小ペ プチ ド 系に 適用 するこ と によ って ，広く使 われ てい る A MB E R ，C HA R MM，OPL S，GR OMOS などの標準的なエネルギー関数（力場）が蛋白質の立体構造予測が可能な程の 精度を持つか否かを調べてきたが，我々の結論は既存のどの力場も完璧なものはないというものである。特に，ねじ
れエネルギー項を少し変化させると，αヘリックスやβシートなどの２次構造の形成傾向が大幅に変化することを 示した。そして，Protein D ata B ank に登録されている実験で決定されたタンパク質の立体構造のデータベースを利 用する，新しい力場パラメターの修正法を提案した。昨年，我々はレプリカ交換法に基づく膜タンパク質の立体構造 予測法を提案したが，本年，この手法を７本の膜貫通ヘリックスからなるバクテリオロドプシンに適用し，自然の立 体構造と似た構造が得られることを示した。
b) 生体分子の系以外にもエネルギー極小状態が多数存在する複雑系では，拡張アンサンブル法の適用が有効である。
昨年，これまで我々が扱ってきた拡張アンサンブル法がカノニカルアンサンブル（定積定温アンサンブル）を元にし た手法であるのに対し，マルチカノニカル法を定圧定温アンサンブルに拡張し，唯１回のシミュレーションの結果 から，任意の圧力及び温度における定圧定温アンサンブル平均が得られる，新しい拡張アンサンブル法（マルチバー リック・マルチサーマル法）のモンテカルロ法版を開発したが，本年度はこの手法の分子動力学法版を開発した。こ の手法はタンパク質の高圧変性の研究に応用できる。
B -1) 学術論文
廣安知之、三木光範、小椋信弥、青井桂子、吉田武史、岡本祐幸 , 「遺伝的交叉を用いた並列 S A によるタンパク質立体構 造のエネルギー最小化」, 情報処理学会論文誌：コンピューティングシステム 44, 277–285 (2003).
H. OKUMURA and Y. OKAMOTO, “Monte Carlo Simulations in Multibaric-Multithermal Ensemble,” Chem. Phys. Lett.
383, 391–396 (2004).
H. KOKUBO and Y. OKAMOTO, “Prediction of Transmembrane Helix Configurations by Replica-Exchange Simulations,”
Chem. Phys. Lett. 383, 397–402 (2004).
K. MURATA, Y. SUGITA and Y. OKAMOTO, “Free Energy Calculations for DNA Base Stacking by Replica-Exchange Umbrella Sampling,” Chem. Phys. Lett. 385, 1–7 (2004).
T. YODA, Y. SUGITA and Y. OKAMOTO, “Comparisons of Force Fields for Proteins by Generalized-Ensemble Simulations,”
Chem. Phys. Lett. 386, 460–467 (2004).
C. MUGURUMA, Y. OKAMOTO and M. MIKAMI, “New Approach to the First-Order Phase Transition of Lennard-Jones Fluids,” J. Chem. Phys. 120, 7557–7563 (2004).
H. KOKUBO and Y. OKAMOTO, “Prediction of Membrane Protein Structures by Replica-Exchange Monte Carlo Simulations:
Case of Two Helices,” J. Chem. Phys. 120, 10837–10847 (2004).
H. OKUMURA and Y. OKAMOTO, “Molecular Dynamics Simulations in the Multibaric-Multithermal Ensemble,” Chem.
Phys. Lett. 391, 248–253 (2004).
H. KOKUBO and Y. OKAMOTO, “Self-Assembly of Transmembrane Helices of Bacteriorhodopsin by a Replica-Exchange Simulation,” Chem. Phys. Lett. 392, 168–175 (2004).
A. MITSUTAKE and Y. OKAMOTO, “Replica-Exchange Extensions of Simulated Tempering Method,” J. Chem. Phys.
121, 2491–2504 (2004).
Y. SAKAE and Y. OKAMOTO, “Protein Force-Field Parameters Optimized with the Protein Data Bank. I. Force-Field Optimizations,” J. Theor. Comput. Chem. 3, 339–358 (2004).
Y. SAKAE and Y. OKAMOTO, “Protein Force-Field Parameters Optimized with the Protein Data Bank. II. Comparisons of Force Fields by Folding Simulations of Short Peptides,” J. Theor. Comput. Chem. 3, 359–378 (2004).