CHARMM

CHARMMとは

CHARMM（Chemistry at Harvard Macromolecular Mechanics）は、多粒子系の挙動を計算科学的に研究するための力場の一群であり、それらを用いた分子動力学シミュレーションや解析を実行するためのソフトウェアパッケージの名称です。

このプロジェクトは、ハーバード大学のマーティン・カープラス教授の研究グループを中心として始まり、現在では世界中の研究者による開発ネットワークによって維持・発展されています。学術目的の研究者やグループには有償のソフトウェアライセンスが提供されますが、ソースコード本体（charmm）は学術機関、政府機関、非営利の研究室には無償で利用が許されています。一方、企業向けの商用版として「CHARMm」が存在します。

CHARMM力場

CHARMMの力場は、特に生体分子の研究に焦点を当てて開発されました。具体的には、溶液、結晶、膜などの環境におけるペプチド、タンパク質、核酸、脂質、炭水化物といった分子の振る舞いを記述するために設計されています。また、補欠分子族や比較的小さな有機分子（リガンド）にも対応しています。

タンパク質用の力場としては、初期の融合原子モデルを用いたCHARMM19や、より詳細な全原子モデルのCHARMM22、そしてその二面角ポテンシャルを改良したCHARMM22/CMAPなどが開発されてきました。CHARMM22力場における各原子の部分電荷は、モデル化合物と水の相互作用に関する量子化学計算に基づいています。この力場は本来、特定の水モデル（TIP3P水モデル）に合わせてパラメータ調整されていますが、暗黙的な溶媒モデルと組み合わせて使われることも少なくありません。2006年には、陰溶媒モデルであるGBSWとの整合性を高めるために、CHARMM22/CMAPの特別な再パラメータ化版も公開されています。

DNA、RNA、脂質などの生体高分子に対しては、CHARMM27力場が一般的に用いられます。異なる種類の分子が複合体を形成している系、例えばタンパク質とDNAの複合体シミュレーションでは、CHARMM22とCHARMM27のように複数の力場を組み合わせて使用することも可能です。さらに、生体分子に関連する様々な小分子や化学基（例: NAD+、特定の糖、フッ素化化合物など）に対する追加のパラメータも、別途提供されています。

これらの力場のバージョン番号は、多くの場合、その力場が初めて導入されたCHARMMプログラムのバージョンを示していますが、もちろんそれ以降の新しいバージョンのプログラムでも利用できます。また、CHARMM力場群のパラメータは、CHARMM以外の分子動力学計算プログラムにおいても、適切にサポートされていれば使用することが可能です。

2009年には、医薬品候補となるような分子（ドラッグライク分子）を含む、より広範な分子を扱うための一般力場（CGenFF: General Force Field）が発表されました。CGenFFは、多数の複素環を含む生体分子やドラッグライク分子に現れる多種多様な化学構造に対応できるよう設計されています。この汎用性の高さは、特定の化学構造に対する精度が専門力場に比べてやや低下する可能性も伴います。開発者のMacKerell研究室のウェブサイトでは、タンパク質や核酸のように既に専門力場が存在する分子には、CGenFFパラメータではなく既存の専門力場を使うことが推奨されています。

CHARMMは、電荷分布の変動を考慮した分極可能力場もサポートしており、揺らぎ電荷モデル（FQモデル、Charge Equilibration (CHEQ)とも呼ばれる）や、ドルーデ殻モデルに基づく手法などが利用できます。これらの力場に関するパラメータは、MacKerell研究室のウェブサイトから無償でダウンロードできます。

CHARMMプログラムパッケージ

CHARMMソフトウェアパッケージは、分子シミュレーションに関する多様な計算や解析を実行するための包括的な機能を提供します。基本的な機能としては、入力された分子構造のエネルギー最小化計算や、分子の運動を追跡する分子動力学シミュレーション（トラジェクトリ計算）が挙げられます。

さらに高度な計算機能として、分子の様々な形状（コンフォメーション）や、ある状態から別の状態への遷移経路をサンプリングする手法、二つの状態間のエネルギー差や結合の自由エネルギーを計算する自由エネルギー摂動法（FEP）、分子の柔軟性やエントロピーを評価する擬調和解析、原子間の運動の相関を調べる解析、そして量子化学計算と分子力場計算を組み合わせたQM/MM法などが実装されています。

CHARMMは分子動力学計算プログラムの中でも特に長い歴史を持ちます。長年にわたる開発を通じて非常に多くの機能が蓄積されており、中にはわずかに異なるコマンドで呼び出せる類似機能も存在します。これは、世界中の多数の研究グループが開発に貢献してきた結果とも言えます。プログラムの更新履歴やソースコードには、ミシガン大学のチャールズ・L・ブルックス3世教授らのグループを含む、主要な開発者たちの名前が記録されています。

CHARMMプログラムは、分子モデル構築、エネルギー計算、動力学シミュレーション、様々な解析技術、そしてコンフォメーションや経路のサンプリングといった、計算ツール群として非常に広範囲な機能を提供します。多くのプラットフォームに移植されており、単一プロセッサでの実行（シリアル計算）から大規模な並列計算まで対応しています。

共同開発者の一人であるマーティン・カープラス教授は、分子系のマルチスケールモデル開発への貢献が認められ、2013年にノーベル化学賞を受賞しています。

開発の歴史

CHARMMの開発は、1969年頃に小分子のポテンシャルエネルギー関数に対する関心が高まった時期に、ハーバード大学のマーティン・カープラス研究室で始まりました。カープラス教授と当時の大学院生であったブルース・ジェリン氏は、任意のアミノ酸配列を持つ分子の座標情報（例えばX線結晶構造から得られるもの）を入力として、その原子配置における系のエネルギーを計算できるプログラムの必要性を感じていました。

カープラス教授自身は、ワイツマン科学研究所のシュナイアー・リフソン教授のグループ、特にハーバード大学にポスドクとして滞在し、自身の開発したConsistent Force Field（CFF）プログラムをもたらしたアリー・ウォーシェル博士、コーネル大学のハロルド・シェラガ教授のグループ、そしてタンパク質に関する先駆的なエネルギー計算を行ったマイケル・レビット博士といった、他の研究者たちがCHARMM開発における主要なアイデア提供に重要な役割を果たしたことを認めています。

1980年代に入り、CHARMMに関する論文が発表され、プログラムが公開されました。その頃には、ジェリン氏が最初に開発したプログラムは大幅に再構築されていました。プログラムの名称を検討する際、ボブ・ブルッチョレリ氏が「HARMM」（HARvard Macromolecular Mechanics）を提案しましたが、これでは内容を十分に表していないと感じられたため、先頭に「Chemistry」を意味する「C」を加えて「CHARMM」という名称になったと伝えられています。

2016年時点で公開されていた最新版は、2015年にリリースされたc40b2でした。

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