ML 領域と層の組み方¶

mlmm-toolkit は酵素の全体を計算します。基質の周りの ML 領域を MLIP で、残りのタンパク質を Amber の力場（MM）で扱います。計算の重さは 3 つで決まります。ML 領域の原子の数、動く MM 原子（可動 MM）の数、Hessian に入る原子の範囲です。このページでは、ML 領域と層の組み方、計算を軽くするための削り方、残基が足りないときの広げ方、原子の固定と距離の拘束をまとめます。

早見表¶

目的	すること	節
デフォルトのモデルを組む	`all` の `-c` に基質・補因子・金属を並べる	デフォルトのモデルを組む
重い計算の前に原子数と電荷を見る	`define-layer` の Layer Summary か `all` のログを読む	モデルを確かめる
計算を軽くする	ML 領域を小さくする、可動 MM の殻を薄くする、ML だけの Hessian にする	モデルを削る
反応に関わる残基が入っていない	`-r` を広げる、`-c` か `--selected-resn` に足す	モデルを広げる
自分で組んだモデルを使う	`--parm7` と `--model-pdb` を渡す	自分で組んだモデルを使う
`model.pdb` を手で作る	チェックリストに沿って確かめる	信頼できる model.pdb の作り方
原子を固定する・距離を拘束する	固定 MM の層、`--freeze-atoms`、`--distance-restraint`	原子の固定と距離の拘束

デフォルトのモデルを組む¶

ML 領域¶

all の -c に基質を書き、補因子と金属も同じリストに入れてください。

mlmm all -i 1.R.pdb 3.P.pdb -c 'SAM,GPP,MG' -l 'SAM:1,GPP:-3'

これは examples/beza/ の同梱例です。all は extract で ML 領域を切り出します。-c の原子から -r（デフォルト 2.6 Å）以内に原子が 1 つでもある残基を入れ、水も入れます。規則の全体は extract にあります。all は 1 つ目の入力の ML 領域を出力ディレクトリの ml_region.pdb に書くので、次の実行ではこれを --model-pdb に渡すと同じ ML 領域を使えます。

MM の層¶

ML 領域の外の原子は、2 つの MM の層に分かれます。各原子の層は PDB の B-factor の欄に書かれます。

層	B-factor	役割
ML	0	反応する領域。エネルギー・力・Hessian を MLIP で計算する
可動 MM	10	最適化で動く MM 原子
固定 MM	20	座標を固定する MM 原子。MM のエネルギーには加わる

define-layer は、ML 原子から --movable-cutoff（デフォルト 8.0 Å）以内の MM 原子を可動 MM に、それより外を固定 MM にします。-c があると、all は入力ごとに 8.0 Å で define-layer を実行し、層を付けた PDB を出力ディレクトリの layered/ に書きます。

モデルを確かめる¶

重い計算の前に、原子数と電荷を確かめてください。

層：define-layer は Layer Summary に Layer 1 (ML, B=0):、Layer 2 (Movable MM, B=10):、Layer 3 (Frozen MM, B=20):、Total atoms: の行を出します。all は入力ごとに [all] define-layer [i]: … (ML=…, MovableMM=…, FrozenMM=…) を出します。
リンク水素：all は [all] ML structure with link H (N + M; …) を出します。N が ML 領域の原子数、M がリンク水素の数です。
電荷：extract と、-c を付けた all は、ML 領域の電荷を Total active site model charge の行に出します。多重度も確かめてください。
目で見る：層を付けた PDB をビューアで開いて B-factor で色分けし、反応に関わる残基が ML 領域に入っているかを確かめてください。

モデルを削る¶

3 つの重さには、それぞれ別の設定があります。

決めるもの	重くなる理由	`all` で	個別のコマンドで	デフォルト
ML 領域	毎ステップ MLIP（`-b dft` では DFT）で計算する	`-r`、`--exclude-backbone`、`--no-include-h2o`、`--selected-resn`	`--model-pdb`	`-r 2.6` Å
可動 MM	最適化で動かす原子になる	オプションなし（`-c` があると 8.0 Å）	`define-layer --movable-cutoff`、または `opt`・`tsopt`・`freq`・`scan`・`scan2d`・`scan3d`・`path-opt`・`path-search`・`sp` の `--movable-cutoff`	8.0 Å
Hessian の範囲	ML 領域と可動 MM にまたがる密な行列になる	オプションなし	`opt`・`tsopt`・`freq`・`sp` の `--hessian-cutoff`	ML と可動 MM の全部

ML 領域を小さくする¶

同梱例（examples/beza/1.R.pdb、-c 'SAM,GPP,MG' -l 'SAM:1,GPP:-3'）では、次のオプションで下の大きさの ML 領域になります。原子数は extract --add-linkh で数えた値で、キャップ水素を含みます。

ML 領域の作り方	オプション	原子数
デフォルト	—	632
主鎖の原子を MM 側に回す	`--exclude-backbone`	397
さらに水も MM 側に回す	`--exclude-backbone --no-include-h2o`	367
残基を自分で選ぶ	`-r 0 --selected-resn '44,63,186'`	129

--exclude-backbone と --no-include-h2o：主鎖の原子と水を ML 領域から外します。外した原子は MM として系に残ります。
-r 0 --selected-resn：距離で残基を足さず、-c の残基と、指定した残基で ML 領域を作ります。同梱例の 44・63・186 番は、SAM のメチル炭素（CS1）にいちばん近い 3 残基です。自分の系では、反応に関わる残基を選んでください。

all でも同じオプションを使えます。例は MLIP の TS を DFT で確かめるの例 1 に、DFT/MM で計算するときの大きさは ML 領域は 300 原子くらいまでににあります。ML 領域を小さくすると電荷が変わることが多いので、毎回確かめてください。

可動 MM の殻を薄くする¶

--movable-cutoff を小さくすると、可動 MM が減って固定 MM が増え、最適化で動かす原子が減ります。define-layer --movable-cutoff で層を付け直した PDB を個別のコマンドに渡すか、上の表のコマンドに --movable-cutoff を付けてください。

Hessian の範囲を絞る¶

--hessian-cutoff を付けると、ML 領域からその距離以内の可動 MM 原子だけを Hessian に入れます。freq の振動解析と、tsopt の最後の振動解析では、解析する原子（--active-dof-mode。デフォルトの partial は ML 領域と可動 MM の全部）を Hessian が覆っている必要があります。Hessian のほうが狭いと計算の前にエラーで止まるので、解析する原子も一緒に絞ってください。ML だけの Hessian にするときは --hessian-cutoff 0.0 --active-dof-mode ml-only を渡します。all には --hessian-cutoff がありません。Hessian の MM の部分の計算方法は MM Hessian にあります。

可動 MM 原子が多い系では、マイクロイテレーション（tsopt と opt --opt-mode hess でデフォルトで有効）が ML のステップの合間に MM 原子を力場だけで緩和するので、MLIP を呼ぶ回数が減ります。

モデルを広げる¶

反応に関わる残基・水・補因子が ML 領域の外にあるときは、ML 領域を広げてください。タンパク質の残りはもう MM に入っているので、ML 領域に足すのは、結合・プロトン化・電荷が変わる原子と、その共有結合の相手です。

-r を広げる（デフォルト 2.6 Å）。
--selected-resn：残基を足します。足した残基からは距離での探索を始めません。
--radius-het2het（デフォルト 0 で無効）：中心の側も相手の側も C・H 以外の原子だけで測る、2 つ目の距離を足します。全体の半径を広げずに、近くの N・O の相手を拾えます。
残基を -c に足す：残基を丸ごと残したいときに使います。-c のアミノ酸からも距離での探索が始まり、-r が 0 より大きければペプチド結合でつながった隣の残基が加わるので、--exclude-backbone なしでは全部の原子が残ります。

周りの環境を動けるようにしたいときは、define-layer --movable-cutoff 10.0 などで、ML 領域ではなく可動 MM を広げてください。Hessian を ML 領域だけに絞っていたら、--hessian-cutoff を外してデフォルトに戻します。詳しくは反応機構を調べるコツを参照してください。

半径は、ML 領域の大きさに対して結果が収束したかを確かめるためのパラメータです。ML 領域を広げると計算は重くなり、精度が上がるとは限らないので、化学的に妥当な何通りかの ML 領域で、エネルギー・力・障壁を比べてください。反応物・中間体・生成物では同じ ML 領域を使い、ml_region.pdb を --model-pdb で渡します。

自分で組んだモデルを使う¶

個別のコマンドには --parm7 と ML 領域の指定が要り、all はこの 2 つを自分で作ります。モデルを手で組むときは、3 つのコマンドを実行します。mm-parm がトポロジーと、同じ原子を同じ順に並べた PDB を作り、extract がその PDB から ML 領域を切り出し、define-layer が同じ PDB に層を書きます。

mlmm mm-parm -i input.pdb -l 'LIG:0' --out-prefix system
mlmm extract -i system.pdb -c LIG -l 'LIG:0' -o model.pdb
mlmm define-layer -i system.pdb --model-pdb model.pdb -o system_layered.pdb

個別のコマンドか、-c を省いた all に、system_layered.pdb と --parm7 system.parm7、--model-pdb model.pdb を渡してください。どのコマンドも、ML 領域を --model-pdb、--model-indices、B-factor の層の順に探します。電荷は、ML 領域の電荷を -q で渡すか、残基名ごとに -l で渡します（PDB/mmCIF の入力）。領域を手で切ったときや、プロトン化を手で変えたときは、残基名から電荷を求められないので -q で渡してください。

信頼できる `model.pdb` の作り方¶

model.pdb は、独立に組み直したクラスターではなく、全系の PDB / parm7 から原子を選んだ原子選択ファイルです。原子名、残基名と番号、chain ID、全系での原子の順を変えないでください。原子番号の振り直し・並べ替え、リンク水素の手での追加、別に水素を付けたモデルの書き出しはしないでください。

反応中心、共有結合した補因子や相手、経路の途中でプロトン化や結合が変わる原子は、すべて ML 領域に入れます。
タンパク質の主鎖の断片を残すときは、主鎖の両端がどちらも Cα（CA）で終わる範囲を選びます。境界の原子価は ML/MM のリンク原子の処理に任せます。
側鎖・リガンド・補因子の境界は、なるべく脂肪族の C–C 単結合（CA–CB か、反応中心からさらに外側）に置きます。ペプチドの C–N、極性の C–N・C–O、芳香環や共役の結合、S–S 結合、金属への配位結合は切りません。結合の相手を入れるか、境界を動かします。
反応物・中間体・生成物では、全系の原子とその順を同じにし、同じ model.pdb の選択を使います。状態ごとに別々にモデルを作ると、原子の対応と障壁の比較が成り立ちません。
本番の計算の前に、すべての境界を目で見て、ML 領域の電荷と多重度を確かめます。define-layer は層を付けるだけで、化学的にまずい境界は直しません。

PyMOL で model.pdb を保存するときは、書き出しの画面で Original atom order に印を付けてください。

原子の固定と距離の拘束¶

固定は、原子の力を 0 にしてその場から動かさないことです。拘束は、2 原子の距離を調和ポテンシャルで目標の値へ引くことです。ML/MM では固定 MM の層がタンパク質の外側をもう固定しているので、--freeze-atoms には、ほかに止めたい原子だけを書いてください。

原子を固定する 3 つの方法¶

固定 MM の層（B-factor 20）：自動で固定します。
--freeze-atoms 'i,j,k'：全系の 1 始まりの原子番号です。all・opt・tsopt・irc・freq・scan・scan2d・scan3d・path-opt・path-search・sp で使えます。
YAML の geom.freeze_atoms（--config で渡す）：リストが長いときや、ほかの設定と一緒に残したいときに使います。

geom:
  freeze_atoms: [12, 15, 28, 29, 42]   # 1 始まり

実行では 3 つの和集合を固定し、どれかが他を置き換えることはありません。

固定の効果¶

固定した原子の力を 0 にするので、その原子は動きません。
固定した原子を Hessian から外すので、freq は残りの原子で部分 Hessian 振動解析（PHVA）を行います。取り除く剛体運動は固定境界での剛体モードにあります。
path-opt と path-search の --mep-mode dmf（Direct Max Flux）は、力を 0 にする代わりに調和拘束（k = 300 eV/Å²、YAML の dmf.k_fix）で固定した原子を留めるので、座標が少し動くことがあります（path-opt の注意点）。

距離を拘束する¶

opt の --distance-restraint は、2 原子のあいだに調和の拘束を足します。(i, j, 目標の距離)（Å）を渡すか、(i, j) で最初の距離を保ちます。

mlmm opt -i system_layered.pdb --parm7 real.parm7 --model-pdb ml_region.pdb \
    -q 0 -m 1 --distance-restraint '[(12,45,2.20)]' --restraint-k 20.0 \
    --out-dir ./result_opt_rest

原子番号は 1 始まりで、--zero-based を付けると 0 始まりになります。--restraint-k は力の定数です（デフォルト 300 eV/Å²）。
scan・scan2d・scan3d では、--restraint-k が各段の力の定数です（距離は eV/Å²、角度は eV/rad²）。YAML の bias.k より CLI の値が優先されます。各段はその段の座標だけを拘束します。all では --scan-restraint-k で渡します。スキャンリストの書き方はスキャンリスト仕様にあります。
opt の result.json（--out-json）とスキャンの結果のエネルギーは、拘束のエネルギーを除いた値です。

使用上の注意点¶

--movable-cutoff は B-factor の MM の層を置き換えます：このオプションを持つどのコマンドでも同じです。--detect-layer も無効になるので、ML 領域を --model-pdb か --model-indices で渡してください。
--model-pdb が決めるのは ML 領域だけ：--detect-layer が有効なら、可動 MM と固定 MM は入力の B-factor から決まります。
層は define-layer で変える：B-factor を手で書き換えず、define-layer をやり直してください。
同梱の PDB は chain の欄が空です。chain が空の PDB では、残基を名前か番号で指定してください。chain のある PDB では、-c 'A:TYR:44' のように chain:残基名:番号で書きます。
リンク水素は自動で付きます。計算機は、parm7 の結合のうち片方の端だけが ML 領域にあるものに 1 つずつ水素を置くので、model.pdb には入れません。詳しくはリンク原子の再分配にあります。
境界の結合：リンク水素を置けるのは C–C、C–N、N–C の結合だけです。ほかの parm7 の結合が境界をまたぐと、Unsupported ML/MM boundary bond in parm7 で止まります。境界を、置ける結合へ動かしてください。
金属・糖鎖・MD のスナップショット：parm7 を自分で作り、--parm7 で渡してください。