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Winmostar™ V5ご紹介
http://winmostar.com/
株式会社クロスアビリティ X-Ability Co.,Ltd.
[email protected]
クロスアビリティ社概要
•
•
•
•
•
ミッション： 自然科学の計算を通じた研究支援および産業発展
ビジョン： シミュレーションおよびデータ解析を駆使した研究・開発支援の大幅コストダウン
バリュー： 老若男女問わず社会に埋もれているエッヂ人材を発掘し、本質的価値を創造
設立： 2008年1月15日 ※6期連続増収黒字
プロダクト・サービス
–
–
–
–
分子モデリングパッケージ Winmostar™
アクセラレータを用いた量子化学計算加速ライブラリ XA-Chem-Suite
ACフリー屋外環境データワイヤレス取得デバイス FieldRouter™
その他、ソフトウェアのカスタム開発、海外ソフト・ハードの代理店業務、etc.
• 社員： 10名（含む、アルバイト） ※2014年11月7日時点
• 資本金： 980万円（役員持分90%）
• オフィス
– 本店： 東京都文京区本郷4-1-5 石渡ビル301
– その他： 神戸ポーアイ研究室、飯館村観測所
2014/11/3
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Winmostar™とは？
WinmostarTMは、分子モデリングから量子化学計算・分子動力学
計算の実行、および計算結果の表示までをPC上で軽快かつ直感
的に実現するロープライスのパッケージソフトウェアです。
新リリースのV5では、分子動力学計算を大幅に充実させました。
Winmostar™ V5の主な新機能
• 著名な分子動力学ソルバーであるGromacs及びLAMMPSに対応しました（MD オプション）。
[Gromacs]
 acpypeによりAM1-BCC電荷、GAFF及びOPLS-AA力場を自動アサイン。
 タンパク系はAMBER03など17種の力場から選択可。
 Thread 並列実行によりPCスタンドアロンで高速計算を実現。
 ジョブ投入インターフェースによりSMP並列計算が可能
[LAMMPS]
 Qeqによる原子電荷自動アサイン
• 棒球モデル表示形式の切替をプルダウンメニューからも出来るようにしました。
• MOPAC2012対応で、outからの電荷読込に対応しました。
• NWChemで、TDDFT計算結果のUV-VISスペクトル表示を可能にしました。
• NWChemで、赤外ラマンスペクトル表示と振動アニメーションを可能にしました。
• Gromacsで1万原子以上のgroファイルはzmatrixを作らないように変更しました。
• URLを開くメニューは、規定のブラウザを使用するように変更しました。
2014/11/3
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Winmostar™とは？
初期座標作成
分子モデリング
計算ソルバー
MOPAC6、MOPAC7
CNDO/S UV-VIS計算ソル
バー内臓
GUI
Gaussian、GAMESS、
Gromacs、LAMMPS
とのインターフェイス
赤字は分子軌道法(MO)ソルバー
青字は分子動力学法(MD)ソルバー
解析結果
・分子構造
・電子状態
・エネルギー変化
2014/11/3
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計算化学の各種手法
分子軌道法
MO（Molecular Orbital)
密度汎関数法
DFT (Density Functional Theory)
分子力学法
MM（Molecular Ｍｅｃｈａｎｉｃs）
モンテカルロ法
MC（Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ）
分子動力学法
MD（Molecular Ｄｙｎａｍｉｃｓ）
手法
力学
分子軌道（MO）法
密度汎関数（DFT）法
分子力学（MM）法
モンテカルロ（MC）法
分子動力学（MD）法
QM
QM
CM
CM
CM,(QM)
主な計算対象
１分子
１分子
１分子
集合体
集合体
エネルギー状態
最安定状態
最安定状態
最安定状態
熱平衡状態（T,P）
熱平衡状態（T,P）
QM: Quantum Mechanics （量子力学）
CM: Classical Mechanics （古典力学）
2014/11/3
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分子軌道（ＭＯ）法
Schrodinger 方程式に基づいて分子内の電子状態を計算し、分子のエ
ネルギーや立体構造を求める方法
非経験的（ab-initio）分子軌道法（Gaussian,Gamess, NWChemなど）
Schrodinger方程式を解く過程ですべての積分を省略せずに解く方法（計
算精度は高いが、計算時間がかかる）
半経験的（semi-empirical）分子軌道法（ＭＯＰＡＣなど）
Schrodinger方程式を解く過程で重要な積分項のみを計算に取り入れ、それ
以外は、実験値（イオン化ポテンシャル、電子親和力等）から得られたパラ
メータを積分計算の代わりに用いて計算する方法（非経験的分子軌道法より
も、計算が速い）
2014/11/3
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MOで計算できること
1) 分子構造
・非経験分子軌道計算：～200原子程
度の分子の構造最適化
・半経験分子軌道計算：～1000原子程
度のタンパク質の構造最適化
・異性体間やコンフォメーション間のエ
ネルギー差
・溶媒効果
・振動解析
2) 反応性指数
・電荷分布
・フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形
軌道の係数
軌道エネルギー
・分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析
・遷移状態の構造
4) 物性値
・活性化エネルギー
・極限的反応座標（IRC) 上での構造や
エネルギーの変化
・置換基効果
・活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2014/11/3
・可視・ＵＶ光の吸収位置（TD-DFT法）
・赤外、ラマン吸収の帰属（振動解析）
・ＮＭＲの化学シフト（GIAO法）
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分子動力学（ＭＤ）法
周囲の原子が作るポテンシャルの場の中で運動するそれぞれの原子の運動
方程式を数値的に解き、各原子の位置座標と速度の値を求め、それらを統計
処理することで系の熱力学的性質および動的性質を計算する方法。
• 低分子、高分子（タンパク質）などの有機物および金属、半導体材料、セラ
ミックスなどの無機物の集合体を計算対象とする（数百～数百万原子） 。
• 温度、圧力を制御したシミュレーションを行うことができる。
• 原子間にポテンシャル力場を与える必要がある。
2014/11/3
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分子動力学法（ＭＤ）の考え方
物質は原子の集合体
アボガドロ数
（６×１０ ２３個）程度
各原子の運動を追えば、物質の性質がわかるはず！
原子は「Newton方程式」に従って運動する
2

 d ri t  

Fi  mi 
2
 dt 
2014/11/3
Newton方程式を解けば、各時間の原子の位置と
速度がわかる。
全原子の運動を計算機で追跡する
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MDで計算できること
計算対象が単一分子ではなく、原子・分子の集合体であるため、材料のマクロな性
質が得られる。マクロな性質とは、温度、圧力、拡散定数、弾性率、熱膨張、熱伝導
率など。
① ポリマー、溶液などの有機物からセラミックス、金属、半導体などの無機物まで様
々な材料を取り扱える。
② 固体、液体、気体など様々な状態をシミュレーションできる。
③ 実験と比較が容易な、ある温度、ある圧力下でのシミュレーションができる
（例：25℃, 1気圧）。
④ 現象の時々刻々の変化を追跡することができる。
2014/11/3
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分子軌道法と分子動力学法の違い
分子軌道（ＭＯ）法
分子動力学（ＭＤ）法
真空中、絶対零度における分子の
安定構造と分子軌道HOMO
（フェノール）
２５℃、１気圧における原子・分子の様子
（フェノール）
2014/11/3
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Winmostar V5 のGUI例
Winmostar
初期構造の作成
AM1 EF PRECISE GNORM=0.05 NOINTER GRAPHF
Winmostar
O 0
H 1.1
H 0.96
計算ソルバー
0 0
1 0
1 101.7031
0 0
0 0
1 0
0
0
0
0
1
1
0
0
2
0
0
0
分子軌道法計算
計算結果の表示
Winmostar
AM1 EF PRECISE GNORM=0.05 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH
NUMBER SYMBOL
(ANGSTROMS)
(I)
NA:I
1
2
3
O
H
H
1.10000 *
.96000 *
BOND ANGLE
(DEGREES)
NB:NA:I
TWIST ANGLE
(DEGREES)
NC:NB:NA:I
101.70310 *
NA
NB
1
1
2
NC
CARTESIAN COORDINATES
NO.
ATOM
X
Y
1
O
.0000
.0000
2
H
1.1000
.0000
3
H
-.1947
.9400
H: (AM1): M.J.S. DEWAR ET AL, J. AM. CHEM.
O: (AM1): M.J.S. DEWAR ET AL, J. AM. CHEM.
2014/11/3
Z
.0000
.0000
.0000
SOC. 107 3902-3909 (1985)
SOC. 107 3902-3909 (1985)
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MO,UV,Charge,Dipole,NMR[import]
Animation[import]
Hessian,Raman
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MDソルバーGromacsの特徴
•
Gromacsのライセンス

GNU General Public License ※ フリーとお考えください
http://www.gromacs.org/About_Gromacs
• 最も高速な分子シミュレーションソフト


4.6.xは4.5.x比で速度５割増
並列化だけでなく、GPGPU, FX10対応も進んでいる
• プリポスト（Viewerなど）が充実していない
Winmostar™を使えばGUIで簡単操作できる！
2014/11/3
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Winmostar V5 ＭＤのオプションのGUI例
たんぱくのモデリング
Gromacs計算条件設定
acpypeでAM1-BCC電荷、GAFF及びOPLS-AA力場を自
動アサインします。
2014/11/3
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Winmostar V5 ＭＤオプションのGUI例
系の温度、エネルギー、密度などの時間変化
2014/11/3
温度
圧力
密度
体積
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Winmostar V5 ＭＤオプションのGUI例
アニメーション
2014/11/3
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Gromacsを理解するためのチュートリアル
GromacsをWinmostar V5のGUIを使って操作するための各種チュートリアルが
（株）クロスアビリティのホームページ上にアップされています。
•
•
Windows PCのローカル環境で実施可能
GromacsのLinux版をインストール済であること。以下のリンクから簡単に設定可！
http://winmostar.com/jp/gmx4wm_jp.html
① Gromacs低分子操作チュートリアル
http://winmostar.com/jp/gmx-on-winmostar_tutorial_small-molecule_1.pdf
内容
I.はじめに（小分子系における力場について）
II.水中のエタノール１分子（温度一定）
III.水中にエタノール複数分子を含む系
①
②
③
④
2014/11/3
系をモデリングする
計算条件を設定する
Gromacsの解析ツールを用いて動径分布関数を計算する
Gromacsの解析ツールを用いて平均二乗変位を計算する
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Gromacsを理解するためのチュートリアル
② Gromacsタンパク用操作チュートリアル
http://winmostar.com/jp/gmx-on-winmostar_tutorial_protein-in-water_2.pdf
題材：水中のタンパクのシミュレーション
内容：
I.
PDBからタンパクの分子構造をダウンロードする
II.
Winmostarを使って、計算可能な構造へ修正する ～結晶水（酸素原子）を取り除く～
III.
Gromacsを起動し、エネルギー極小化を実行する
IV. 得られた構造を用いて二段階の熱平衡計算（温度一定、温度・圧力一定）を実行する
V.
本計算（400ピコ秒）を実行する。
VI. 計算結果を確認する
本チュートリアルは、Justin (Virginia Tech.)によるGROMACS Tutorial (Tutorial 1: Lysozyme in water)を参考に作成して
います。http://www.bevanlab.biochem.vt.edu/Pages/Personal/justin/gmx-tutorials/
2014/11/3
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Gromacsを理解するためのチュートリアル
③ Gromacsを用いたER法による水和自由エネルギー計算チュートリアル
http://winmostar.com/jp/gmx-on-winmostar_tutorial3_free_energy-by-er.pdf
本チュートリアルの実施あたっては、PCのLinux環境(cygwin)に予めermodをビルドしておく
必要があります。
ermodのWiki: http://sourceforge.net/projects/ermod/
第一部 ER法による溶媒和自由エネルギー計算について
I.
ER法の概要
II.
全体処理フロー
III.
ER法の表式
IV.
計算対象
V.
計算方法（MD計算）
第二部 操作手順（チュートリアル）
I.
Winmostar-GromacsによるMD計算
II.
ermodを用いた溶媒和自由エネルギーの算出
III.
結果の評価
（追補） 電荷変更による再計算
2014/11/3
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20
Gaussian,Gromacs等の計算ジョブ投入機能
計算ジョブ投入
SSH
計算結果
サーバー（Linuxクラスター）
FOCUS,TSUBAME,京*..等
キューイングシステム
LSF,PBS,SLURM,SGE,NQS,ShareTask等
計算エンジン
Gaussian,GAMESS,NWChem,Gromacs,
LAMMPS
2014/11/3
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Winmostar™ V5の機能まとめ
 モデリング機能


–
–
–
原子単位の追加・変更・移動・削除、置換基の追加、クリーン（分子力学による簡易構造最適化）機能
部分回転・移動・削除・複製、Z-Matrix編集機能
タンパク質モデラー・溶液混合モデラー（MDオプション）GromacsはMPI/SMPおよびジョブ投入が可能
Gromacsのリスタート、User電荷に対応
acpypeでAM1-BCC電荷、GAFF及びOPLS-AA力場を自動アサイン
 計算機能
MO


内蔵エンジン：MOPAC6とCNDO/S (紫外・可視吸収スペクトル計算用)
入力データ作成と計算エンジン起動（分子軌道法）：MOPAC, Gaussian, GAMESS/Firefly, NWChem
MD（MDオプション）

入力データ作成と計算エンジン起動：Gromacs, LAMMPS
その他

分子表面積、体積、Ovality (卵形度)、アスペクト比算出、PIO解析
 結果可視化機能



電荷・双極子モーメント、エネルギー準位、構造最適化、反応座標解析・基準振動解析
紫外／可視吸収・NMR・ラマン分光／赤外吸収スペクトル、分子軌道表示、
MD結果スナップショットアニメーション表示（MDオプション）、温度・圧力などの熱力学量変化グラフ表示
動作OS：Windows XP/Vista/7/8（VMware fusion on Mac OSXも動作確認済）
2014/11/3
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Winmostar V5 製品一覧
Winmostar V5 （ベーシック）
シングルライセンス（永久使用権＋１年サポート）
+
Winmostar MD オプション
シングルライセンス（永久使用権＋１年サポート）
民間企業・官公庁（国研）
￥90,000
民間企業・官公庁（国研）
￥90,000
教育機関・個人
￥45,000
教育機関・個人
￥45,000
学生
￥4,500
サイトライセンス（年間使用権＋年間サポート）
民間企業・官公庁（国研）
キャンパスライセンス（年間使用権＋年間サポート）
学科・専攻ライセンス（年間使用権＋年間サポート）
研究室ライセンス（年間使用権＋年間サポート）
教育機関
教育機関
教育機関
￥150,000
￥90,000
¥ 無料
Winmostar V5 トライアル （ﾌﾙ機能、3か月の利用期間）
2014/11/3
￥200,000
研究室ライセンス（年間使用権＋年間サポート）
￥90,000
Winmostar V5 無償版 （ベーシック 機能制限）
￥400,000
学科・専攻ライセンス（年間使用権＋年間サポート）
￥150,000
教育機関
民間企業・官公庁（国研）
キャンパスライセンス（年間使用権＋年間サポート）
￥200,000
教育機関
￥4,500
サイトライセンス（年間使用権＋年間サポート）
￥400,000
教育機関
学生
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￥無料
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製品別機能一覧 １
ベーシック
原子追加/変更/削除、置換
基追加
クリーン（分子力学法による
構造最適化）
部分回転/移動/削除
簡易配座探索機能
SMILES入力
分子形状解析
分子表面積/体積計算
Ovality/アスペクト比計算
分子軌道法（MO） MOPAC6計算機能
CNDO/S計算機能
エネルギー順位表示
分子軌道3D表示
電荷・双極子モーメント表示
UV/Visスペクトル表示
反応座標解析
基準振動解析
NMRスペクトル表示
Raman/IRスペクトル表示
GAMESS/Firefly連携
NWChem連携
Gaussian連携
ライセンス
使用期限
分子モデリング
2014/11/3
ベーシック
＋MDｵﾌﾟｼｮﾝ
トライアル版
無償版
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
永久使用権*
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
永久使用権*
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
3か月
○
30原子分子まで
○
○
○
30原子分子まで
○
○
○
○
○
○
○
1年間
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製品別機能一覧 ２
ベーシック
分子動力学（MD) タンパク質モデラー
溶液モデラー（溶媒３種＋イ
オン種）
Gromacs入力データ作成/起
動
LAMMPS入力データ作成/
起動
スナップショット/アニメー
ション表示
温度/圧力など熱力学量変
化グラフ表示
溶媒分子登録機能
ジョブコントーラ ジョブ投入インターフェース
サブミットジョブ
ライセンス
使用期限
価格**
民間企業/官公庁
教育機関
-
ベーシック
＋MDｵﾌﾟｼｮﾝ
○
トライアル版
無償版
○
-
-
○
○
-
-
○
○
-
-
○
○
-
-
○
○
-
-
○
○
-
○
○
永久使用権*
○
○
○
永久使用権*
○
○
○
3か月
1年間
¥90,000
¥45,000
¥180,000
¥90,000
¥0
¥0
¥0
¥0
* １年間保守付き
2014/11/3
Copyright (C) 2014 X-Ability Co.,Ltd. All rights reserved.
**
シングルライセンス価格
25
無償版、トライアル版
Winmostar V5 無償版 ￥無料！
・ジョブスケジューラおよびサブミットジョブ機能はありません。
・MOPAC以外のソルバコール機能はありません。
・MOPACで計算できる原子数は３０原子以下に制限されています。
・ダウンロードサイト http://winmostar.com/jp/
Winmostar V5 トライアル ￥無料！
・Winmostarフル機能(MDオプション含む)
・3か月間のみ使用可、同一メールアドレスは一回のみ。
・ダウンロードサイト http://winmostar.com/jp/dlTrialFormJP.php
2014/11/3
Copyright (C) 2014 X-Ability Co.,Ltd. All
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