これまで，化学や物理学の理論を駆使して蛋白質系の分子シミュレーション手法や解析手法の開発を行ってきた．特に，サンプリング手法である拡張アンサンブル法の開発を行ってきた．近年，多変数版の拡張アンサンブル法を定式化して，多変数のシミュレーティッド・テンパリング法とレプリカ交換法を結合した方法の開発を行った．さらに，高分子の分野で開発された動的解析手法である緩和モード解析を蛋白質系に適用することを試みた．ここでは，受賞対象になった研究の背景とその概略について解説する．

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遷移パスサンプリングは分子動力学などを使ってベイスン間をホップするような軌道を取り出す有用な手法である．通常の分子動力学がベイスン内をサンプルすることに重点を置いているのと異なり，ベイスン間の軌道は本質的に非平衡なものであり，その取扱いには非平衡統計力学の枠組みを使わなければならない．本稿ではパスサンプリングの基本的な概念を解説し，その問題点や分子系に適用するときの注意点を挙げる．

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エネルギー地形とは，系の持つエネルギーを座標の関数として表したものであり，系のダイナミクスや統計的性質を視覚的な情報としてとらえる事を可能にしてくれる有用な概念である．多自由度系のエネルギー地形を考える際には，全ての座標を描くことが不可能なので，特定の座標を選択し，射影した地形を描くことになるが，射影のしかたによって「自由エネルギー地形」と「平均力ポテンシャル」という2 種類のエネルギー地形が考えられる．本稿では，これらふたつのエネルギー地形概念の違いを明確にし，両者が一致するための条件や両者の違いを生む要因について概説する．

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遷移状態（TS）の構造探索は化学反応の機構解析において最も重要かつ難しい課題である．一般に，推定構造を用いる構造最適化計算によってTS 構造は探索されてきた．しかし，複雑な多段階反応では全てのTS構造を正しく推定することは難しい．そこで反応経路自動探索法が必要となる．本稿では筆者らが開発してきた方法とその気相および有機反応への応用について解説する．

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タンパク質の大規模構造変化は細胞内での重要な反応(酵素反応やシグナル伝達など) の制御に関わっている．それら構造変化の典型的な時間スケールはミリ秒以上であり，全原子モデルを用いたbrute-force な分子動力学シミュレーションでサンプリングすることは難しい．本稿では，構造遷移パスを効率良くサンプリングする手法のひとつであるストリング法の基本概念とプラクティカルな側面を解説するとともに，アデニル酸キナーゼへの応用例を紹介する．

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溶液中や酵素などの大自由度系の化学反応において，自由エネルギーの計算は非常に重要である．本解説では熱力学積分法に基づくブルームーンアンサンブル法，および，ヒューリスティックな方法では有るが非常に強力な研究手段であるメタダイナミクス法について説明し，SN2 反応や酵素反応での応用例を示す．

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溶液内化学反応のリアルな描像を捉える手段として第一原理分子動力学計算が活用されている．しかし，計算資源的に高いコストが掛かるために，現状では少数本のトラジェクトリーに基づく議論にならざるを得ず，結果の統計的解釈の是非には慎重な判断が必要となる．そこで注目されているのが第一原理分子動力学計算と最小自由エネルギー探索法を組み合わせた解析手法である．本稿では，最小自由エネルギー探索法の一つであるストリング法を紹介し，ストリング法を溶液内金属触媒反応の典型例であるフェントン反応の機構解明に応用した例を紹介する．

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極限的反応座標(K. Fukui, Acc Chem. Res. 14, 363 (1981)) について，やや現代的な視点でまとめる．

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大規模系の電子状態計算において要となるKohn-Sham の密度汎関数法(DFT)について，そのいくつかの問題点をレビューする．その１つは，Kohn-Sham 法において変分探索する電子密度の集合にある．通常のやり方では，実際には，相互作用の無い参照系の「基底状態」電子密度の集合のみを探索することになる．この密度の集合は，本来探索すべきN-表示可能な密度の部分集合にしかなっていないので，正しい電子密度に辿りつけない可能性がある．また，全エネルギーへの寄与の大きな交換汎関数Ex[n]について，これまでの主流の汎関数開発の経緯とその設計指針を論じ，それらとは異なる始点を持つBecke-Roussel 汎関数の概要と利点を紹介する．現在の主流の交換汎関数は一様な電子ガスの交換ホールをモデルとして構築されているが，このモデルは，原子や分子のように，その外縁部の密度が一様性から著しく逸脱する場合には適切ではない．Becke-Roussel のモデルは，原子，分子系の応用にとって理にかなった描像を与えるものである．

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近年の大型並列計算機の発展とともに分子シミュレーションと電子状態計算を統合した第一原理シミュレーションが普及し，国際標準になりつつある．これを用いて，従来では扱えなかった複雑な化学反応動力学や，光吸収や電磁場応答のような電子状態由来の物性などを対象に，さまざまな応用研究が広まっている．本稿では，電子状態理論の基礎をなすHartree-Fock 法について，分子シミュレーションとの接点を少し意識しながら再考したい．

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本稿では，オニオン相と呼ばれる界面活性剤の高次構造を伴う状態に関する，最近の著者らによる大規模粗視化分子シミュレーションの紹介を行う．剪断流下で多層ベシクル状態が形成される実験が1990 年前後に提出されて以来，この問題は典型的なソフトマターの動的構造形成の問題として知られるようになったが，その起源と物理機構は知られていない．我々はモデルの粗視化と計算規模の拡大，という２つをかけあわせた手法を用いることによりこの問題の解明に向けて取り組んでいる．本稿では研究内容についての簡潔な紹介に加えて，シミュレーション手法も記述する．

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