УСТРОЙСТВО ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ СИСТЕМЫ ТОЧЕЧНЫХ МАСС

1. Устройство имитационного моделирования для прогнозирования поведения системы точечных масс, образованной моделируемыми N точечными массами, причем устройство содержит:
средство задания координат для задания медленных координат, которые представляют собой M координат, в основном предполагающих структурное изменение в системе точечных масс на основании 3N координат точечных масс, описывающих структуру системы точечных масс, и быстрых координат, которые являются координатами, описывающими структуру системы точечных масс, и не зависят от медленных координат;
средство извлечения координат для получения структуры быстрых координат как функции медленных координат путем подчинения быстрых координат медленным координатам и получения, с учетом влияния изменения быстрых координат на медленные координаты вследствие изменения медленных координат, структуры медленных координат как функции K коллективной координаты (коллективных координат) общей координаты, которая связана с медленными координатами каноническим преобразованием, причем общая координата образована переменной составляющей, которая изменяется со временем, и постоянной составляющей, которая служит константой относительно времени, и K коллективная координата(коллективных координат) является переменной составляющей общей координаты; и
средство обратного преобразования для прогнозирования временной эволюции системы точечных масс на основании
коллективной координаты (коллективных координат) как функции времени, которую можно получить в качестве решения уравнение движения относительно коллективной координаты(коллективных координат), структуры медленных координат и структуры быстрых координат,
причем K, M, и N удовлетворяют соотношению K<M<3N, и каждое из них представляет целое число, не меньшее 1.
2. Устройство имитационного моделирования по п. 1, в котором средство извлечения координат получает структуру медленных координат путем:
осуществления первого этапа для получения потенциальной энергии V, представленной как функция медленных координат и быстрых координат;
осуществления второго этапа для подчинения быстрых координат медленным координатам согласно условию адиабатического приближения с использованием потенциальной энергии;
осуществления, в текущем состоянии медленных координат и быстрых координат, третьего этапа для получения производной потенциальной энергии по медленным координатам с учетом влияния;
осуществления, на основании производной потенциальной энергии, четвертого этапа для получения производной медленных координат по коллективной(ым) координате(ам) согласно основному уравнению метода самосогласованных коллективных координат с использованием производной потенциальной энергии;
осуществления, на основании производной медленных координат, пятого этапа для обновления коллективной координаты(коллективных координат) на малую величину и получения обновленных медленных координат;
осуществления, на основании обновленных медленных координат, шестого этапа для осуществления структурной релаксации на быстрых координатах, подчиненных медленным координатам; и
после этого, повторения этапов с третьего по шестой на основании медленных координат и быстрых координат в состоянии после структурной релаксации быстрых координат.
3. Устройство имитационного моделирования по п. 2, в котором влияние учитывается способом, который использует, по меньшей мере, одну из нижеприведенных формул 1-3:
где каждое из i, j и k представляет целое число в диапазоне от 1 до M;
каждое из α, β и γ представляет целое число в диапазоне от 1 до 3N-M;
Si
R представляет i-ю медленную координату в системе точечных масс;
Fα
R представляет α-ю быструю координату в системе точечных масс;
S
S1
S2
SM
R представляет (R, R, ------, R);
F
F1
F2
F(3N- M)
R представляет (R, R, ------, R);
F
S
R(R) представляет быстрые координаты, подчиненные медленным координатам;
S
F
V(R,R) представляет потенциальную энергию, представленную медленными координатами и быстрыми координатами;
eff
S
F
S
S
F
V(R) представляет эффективную потенциальную энергию, получаемую подстановкой R(R) в V(R,R);
в формуле 2, (i↔j) в третьем члене представляет член, выведенный взаимной заменой индексов i и j во втором члене;
в формуле 3, (i↔k) в третьем члене представляет член, выведенный взаимной заменой индексов i и k во втором члене, (j↔k) в четвертом члене представляет член, выведенный взаимной заменой индексов j и k во втором члене, (i↔k) в шестом члене представляет член, выведенный взаимной заменой индексов i и k в пятом члене, и (j↔k) в седьмом члене представляет член, выведенный взаимной заменой индексов j и k в пятом члене; и далее в формулах 1-3, используется нижеприведенная формула 4:
αβ
S
S
-1
αβ
где: K (R) представляет матрицу, обратную K(R), и
αβ
αi
S
S
K(R) и J(R) задаются нижеприведенными формулами 5 и 6, соответственно.
4. Устройство имитационного моделирования по п. 2, в котором условие адиабатического приближения выражается нижеприведенной формулой 7:
Fα
где R представляет α-ю быструю координату в системе точечных масс;
S
S1
S2
SM
R представляет (R, R, ------, R);
F
F1
F2
F(3N-M)
R представляет (R, R, ------, R); и
S
F
V(R,R) представляет потенциальную энергию, представленную медленными координатами и быстрыми координатами.
5. Устройство имитационного моделирования по п. 2, в котором количество K коллективной координаты(коллективных координат) удовлетворяет условию K=1, и основное уравнение представлено нижеприведенными формулами 8 и 9:
где каждое из i и j представляет целое число в диапазоне от 1 до M;
Si
R представляет i-ю медленную координату в системе точечных масс;
S
S1
S2
SM
R представляет (R, R, ------, R);
1
q представляет коллективную координату;
i
m представляет массу i-й медленной координаты в системе точечных масс;
i
S
φ(R) представляет i-ю составляющую функции (собственный вектор), которая удовлетворяет формуле 9;
S
Λ(R) представляет функцию (собственное значение), которая удовлетворяет формуле 9; и
eff
S
V(R) представляет эффективную потенциальную энергию.
6. Устройство имитационного моделирования по п. 2, в котором количество K коллективной координаты(коллективных координат) удовлетворяет условию K=1, и основное уравнение представлено нижеприведенными формулами 10-12:
где каждое из i, j и k представляет целое число в диапазоне от 1 до M;
Si
R представляет i-ю медленную координату в системе точечных масс;
S
S1
S2
SM
R представляет (R, R, ------, R);
1
q представляет коллективную координату;
i
m представляет массу i-й медленной координаты в системе точечных масс;
i
S,
S
φ(R λ) и κ(R, λ) представляют i-ю составляющую функции, которая удовлетворяет формуле 12 и λ представляет вспомогательную координату; и
eff
S
V(R) представляет эффективную потенциальную энергию.
7. Устройство имитационного моделирования по любому из пп. 2-4, в котором средство извлечения координат является средством, которое осуществляет вычисление на четвертом этапе путем увеличения количества переменных, рассматриваемых как независимые от медленных координат и как функции коллективной координаты(коллективных координат) при решении основного уравнения для исключения произвольности знака производной медленных координат или вспомогательных координат относительно коллективной координаты(коллективных координат) в основном уравнении.
8. Устройство имитационного моделирования по п. 7, в котором средство извлечения координат является средством, которое осуществляет вычисление согласно основному уравнению, представленному нижеприведенной формулой 13, полученной в результате увеличения количества переменных, рассматриваемых как независимые от медленных координат и как функции коллективной координаты(коллективных координат):
µ
где Y - MK+M+K-мерный вектор, заданный нижеприведенной формулой 14, и v - вектор решения неоднородного линейного уравнения нижеприведенной формулы 15:
µ
C и s в формуле 15 задаются нижеприведенными формулами 16 и 17, соответственно:
,ij
S
,ijk
S
где V(R) и V(R) задаются нижеприведенными формулами 18 и 19, соответственно:
где каждое из i, j и k представляет целое число в диапазоне от 1 до M;
каждое из µ и ν представляет целое число в диапазоне от 1 до K;
µ
q представляет µ-ю коллективную координату;
Si
R представляет i-ю медленную координату в системе точечных масс;
S
S1
S2
SM
R представляет (R, R, ------, R);
i
m представляет массу i-й медленной координаты в системе точечных масс;
i
S
µ
u
каждое из φ  и Λ представляет вспомогательную координату, независимую от R; и
eff
S
V(R) представляет эффективную потенциальную энергию.
9. Устройство имитационного моделирования по п. 8, в котором количество K коллективной координаты(коллективных координат) удовлетворяет условию K=1.
10. Устройство имитационного моделирования по п. 7, в котором средство извлечения координат является средством, которое осуществляет вычисление согласно основному уравнению, представленному нижеприведенной формулой 20, полученной в результате увеличения количества переменных, рассматриваемых как независимые от медленных координат и как функции коллективной координаты(коллективных координат):
где Z - MK+M+2K-мерный вектор, заданный нижеприведенной формулой 21;
µν
c - константа, уникально определенная так, чтобы минимизировать значение, представленное нижеприведенной формулой 22, задаваемое относительно каждого µ; и
µ
w представляет один из K MK+M+2K-мерный(ых) единичный вектор(единичных векторов), образующий базис K-мерного пространства сингулярных значений матрицы D, заданной нижеприведенной формулой 23:
,ij
S
,ijk
S
где V(R) и V(R) задаются нижеприведенными формулами 24 и 25, соответственно:
где каждое из i, j и k представляет целое число в диапазоне от 1 до M;
каждое из µ и ν представляет целое число в диапазоне от 1 до K;
µ
q представляет µ-ю коллективную координату;
Si
R представляет i-ю медленную координату в системе точечных масс;
S
S1
S2
SM
R представляет (R, R, ------, R);
i
m представляет массу i-й медленной координаты в системе точечных масс;
i
S
µ
u
u
каждое из φ , λ и ρпредставляет вспомогательную координату, независимую от R; и
eff
S
V(R) представляет эффективную потенциальную энергию.
11. Устройство имитационного моделирования по п. 10, в котором количество K коллективной координаты(коллективных координат) удовлетворяет условию K=1.
12. Устройство имитационного моделирования по п. 6, в котором средство извлечения координат является средством, которое вычисляет член третьей производной потенциальной энергии на основании нижеприведенной формулы 26:
i
где φ представляет i-ю составляющую произвольного вектора, и
,ij
S
,ijk
S
V(R), V(R) и n задаются, соответственно, нижеприведенными формулами 27-29:
13. Устройство имитационного моделирования по п. 1, в котором средство задания координат является средством, которое задает репрезентативные координаты, извлеченные из и представляющие каждую характеристическую частичную структуру структуры системы точечных масс в качестве медленных координат.
14. Устройство имитационного моделирования по п. 13, в котором:
система точечных масс является многоатомной системой, которая включает в себя биологическую макромолекулу;
частичная структура является вторичной структурой, строительным блоком или основной цепью биологической макромолекулы; и
репрезентативная координата каждой частичной структуры является координатой каждого из атомов, составляющих частичную структуру, координатой, заданной путем объединения координат атомов, или шагом частичных структур.
15. Устройство имитационного моделирования по п. 14, в котором биологическая макромолекула является белком, частичная структура является вторичной структурой белка, и репрезентативная координата вторичной структуры является координатой центра тяжести группы атомов, составляющей вторичную структуру, или углом сгиба вторичной структуры.
16. Устройство имитационного моделирования по п. 15, в котором вторичная структура является, по меньшей мере, одной из спиральной структуры, β-листа, витка, петли и случайной спирали.
17. Устройство имитационного моделирования по п. 14, в котором биологическая макромолекула является белком, частичная структура является остатком белка, и репрезентативная координата остатка является координатой центра тяжести группы атомов, составляющих остаток.
18. Устройство имитационного моделирования по п. 14, в котором биологическая макромолекула является белком, частичная структура является основной цепью белка, и репрезентативная координата основной цепи является координатой каждого атома составляющего основную цепь.
19. Устройство имитационного моделирования по п. 14, в котором биологическая макромолекула является нуклеиновой кислотой, частичная структура является вторичной структурой нуклеиновой кислоты, и репрезентативная координата вторичной структуры является координатой центра тяжести группы атомов, составляющей вторичную структуру, или углом сгиба вторичной структуры.
20. Устройство имитационного моделирования по п. 19, в котором вторичная структура является спиральной структурой.
21. Устройство имитационного моделирования по п. 14, в котором биологическая макромолекула является нуклеиновой кислотой, частичная структура является остатком нуклеиновой кислоты, и репрезентативная координата остатка является координатой центра тяжести группы атомов, составляющих остаток.
22. Устройство имитационного моделирования по п. 14, в котором биологическая макромолекула является нуклеиновой кислотой, частичная структура является основной цепью нуклеиновой кислоты, и репрезентативная координата основной цепи является координатой каждого атома составляющего основную цепь.
23. Устройство имитационного моделирования по п. 14, в котором биологическая макромолекула является нуклеиновой кислотой, частичная структура является спиральной структурой нуклеиновой кислоты, и репрезентативная координата спиральной структуры является шагом спиральной структуры.
24. Устройство имитационного моделирования по любому из пп. 14-23, в котором многоатомная система включает в себя молекулу-кандидат на связывание для биологической макромолекулы.
25. Способ имитационного моделирования для использования устройством имитационного моделирования по п. 1 для прогнозирования поведения системы точечных масс, образованной моделируемыми N точечными массами, причем способ содержит этапы, на которых:
задают медленные координаты, которые представляют собой M координат, в основном, предполагающих структурное изменение в системе точечных масс на основании 3N координат точечных масс, описывающих структуру системы точечных масс;
задают быстрые координаты, которые являются координатами, описывающими структуру системы точечных масс, и не зависят от медленных координат;
получают структуру быстрых координат как функцию медленных координат путем подчинения быстрых координат медленным координатам;
получают, с учетом влияния изменения быстрых координат на медленные координаты вследствие изменения медленных координат, структуру медленных координат как функцию K коллективной координаты(коллективных координат) общей координаты, которая связана с медленными координатами каноническим преобразованием, причем общая координата образована переменной составляющей, которая изменяется со временем, и постоянной составляющей, которая служит константой относительно времени, и K коллективная координата(коллективных координат) является переменной составляющей общей координаты; и
прогнозируют временную эволюцию системы точечных масс на основании коллективной координаты(коллективных координат) как функции времени, которую можно получить, решая уравнение движения относительно коллективной координаты(коллективной координаты), структуры медленных координат и структуры быстрых координат,
причем K, M, и N удовлетворяют соотношению K<M<3N, и каждое из них представляет целое число, не меньшее 1.
26. Компьютерно-считываемый носитель записи, на котором записана программа имитационного моделирования, предписывающая компьютеру осуществлять способ имитационного моделирования по п. 25.