🛠️ Molecular Dynamics
OpenMMやMDAnalysisを用いて、タンパク質や低分子の分子動力学シミュレーションを実行・解析し、構造生物学や創薬、生物物理学の研究に役立つ、エネルギー最小化や自由エネルギー曲面分析などを行うSkill。
📺 まず動画で見る(YouTube)
▶ 【衝撃】最強のAIエージェント「Claude Code」の最新機能・使い方・プログラミングをAIで効率化する超実践術を解説! ↗
※ jpskill.com 編集部が参考用に選んだ動画です。動画の内容と Skill の挙動は厳密には一致しないことがあります。
📜 元の英語説明(参考)
Run and analyze molecular dynamics simulations with OpenMM and MDAnalysis. Set up protein/small molecule systems, define force fields, run energy minimization and production MD, analyze trajectories (RMSD, RMSF, contact maps, free energy surfaces). For structural biology, drug binding, and biophysics.
🇯🇵 日本人クリエイター向け解説
OpenMMやMDAnalysisを用いて、タンパク質や低分子の分子動力学シミュレーションを実行・解析し、構造生物学や創薬、生物物理学の研究に役立つ、エネルギー最小化や自由エネルギー曲面分析などを行うSkill。
※ jpskill.com 編集部が日本のビジネス現場向けに補足した解説です。Skill本体の挙動とは独立した参考情報です。
下記のコマンドをコピーしてターミナル(Mac/Linux)または PowerShell(Windows)に貼り付けてください。 ダウンロード → 解凍 → 配置まで全自動。
mkdir -p ~/.claude/skills && cd ~/.claude/skills && curl -L -o molecular-dynamics.zip https://jpskill.com/download/4188.zip && unzip -o molecular-dynamics.zip && rm molecular-dynamics.zip
$d = "$env:USERPROFILE\.claude\skills"; ni -Force -ItemType Directory $d | Out-Null; iwr https://jpskill.com/download/4188.zip -OutFile "$d\molecular-dynamics.zip"; Expand-Archive "$d\molecular-dynamics.zip" -DestinationPath $d -Force; ri "$d\molecular-dynamics.zip"
完了後、Claude Code を再起動 → 普通に「動画プロンプト作って」のように話しかけるだけで自動発動します。
💾 手動でダウンロードしたい(コマンドが難しい人向け)
- 1. 下の青いボタンを押して
molecular-dynamics.zipをダウンロード - 2. ZIPファイルをダブルクリックで解凍 →
molecular-dynamicsフォルダができる - 3. そのフォルダを
C:\Users\あなたの名前\.claude\skills\(Win)または~/.claude/skills/(Mac)へ移動 - 4. Claude Code を再起動
⚠️ ダウンロード・利用は自己責任でお願いします。当サイトは内容・動作・安全性について責任を負いません。
🎯 このSkillでできること
下記の説明文を読むと、このSkillがあなたに何をしてくれるかが分かります。Claudeにこの分野の依頼をすると、自動で発動します。
📦 インストール方法 (3ステップ)
- 1. 上の「ダウンロード」ボタンを押して .skill ファイルを取得
- 2. ファイル名の拡張子を .skill から .zip に変えて展開(macは自動展開可)
- 3. 展開してできたフォルダを、ホームフォルダの
.claude/skills/に置く- · macOS / Linux:
~/.claude/skills/ - · Windows:
%USERPROFILE%\.claude\skills\
- · macOS / Linux:
Claude Code を再起動すれば完了。「このSkillを使って…」と話しかけなくても、関連する依頼で自動的に呼び出されます。
詳しい使い方ガイドを見る →- 最終更新
- 2026-05-17
- 取得日時
- 2026-05-18
- 同梱ファイル
- 2
💬 こう話しかけるだけ — サンプルプロンプト
- › Molecular Dynamics を使って、最小構成のサンプルコードを示して
- › Molecular Dynamics の主な使い方と注意点を教えて
- › Molecular Dynamics を既存プロジェクトに組み込む方法を教えて
これをClaude Code に貼るだけで、このSkillが自動発動します。
📖 Skill本文(日本語訳)
※ 原文(英語/中国語)を Gemini で日本語化したものです。Claude 自身は原文を読みます。誤訳がある場合は原文をご確認ください。
[スキル名] molecular-dynamics
分子動力学
概要
分子動力学(MD)シミュレーションは、ニュートンの運動方程式を積分することにより、分子システムの時間発展を計算機上でモデル化します。このスキルでは、以下の2つの補完的なツールを扱います。
- OpenMM (https://openmm.org/): GPUサポート、Python API、柔軟な力場サポートを備えた高性能MDシミュレーションエンジン
- MDAnalysis (https://mdanalysis.org/): 主要なすべてのシミュレーションパッケージからのMDトラジェクトリの読み込み、書き込み、分析のためのPythonライブラリ
インストール:
conda install -c conda-forge openmm mdanalysis nglview
# または
pip install openmm mdanalysis
このスキルを使用するタイミング
分子動力学は、次のような場合に使用します。
- タンパク質の安定性分析: 変異はタンパク質のダイナミクスにどのように影響しますか?
- 薬剤結合シミュレーション: リガンドの結合様式と滞留時間を特徴付けます。
- コンフォメーションサンプリング: タンパク質の柔軟性とコンフォメーション変化を探索します。
- タンパク質間相互作用: 界面のダイナミクスと結合エネルギーをモデル化します。
- RMSD/RMSF分析: 参照構造からの構造変動を定量化します。
- 自由エネルギー推定: 結合自由エネルギーまたはコンフォメーション自由エネルギーを計算します。
- 膜シミュレーション: 脂質二重層中のタンパク質をモデル化します。
- 本質的無秩序タンパク質: IDRのコンフォメーションアンサンブルを研究します。
コアワークフロー: OpenMMシミュレーション
1. システムの準備
from openmm.app import *
from openmm import *
from openmm.unit import *
import sys
def prepare_system_from_pdb(pdb_file, forcefield_name="amber14-all.xml",
water_model="amber14/tip3pfb.xml"):
"""
PDBファイルからOpenMMシステムを準備します。
Args:
pdb_file: クリーンアップされたPDBファイルへのパス(生のPDBファイルにはPDBFixerを使用)
forcefield_name: 力場XMLファイル
water_model: 水モデルXMLファイル
Returns:
pdb, forcefield, system, topology
"""
# PDBをロード
pdb = PDBFile(pdb_file)
# 力場をロード
forcefield = ForceField(forcefield_name, water_model)
# 水素を追加し、溶媒和
modeller = Modeller(pdb.topology, pdb.positions)
modeller.addHydrogens(forcefield)
# 溶媒ボックスを追加(10 Åのパディング、150 mM NaCl)
modeller.addSolvent(
forcefield,
model='tip3p',
padding=10*angstroms,
ionicStrength=0.15*molar
)
print(f"System: {modeller.topology.getNumAtoms()} atoms, "
f"{modeller.topology.getNumResidues()} residues")
# システムを作成
system = forcefield.createSystem(
modeller.topology,
nonbondedMethod=PME, # 長距離静電相互作用のためのParticle Mesh Ewald
nonbondedCutoff=1.0*nanometer,
constraints=HBonds, # 水素結合を拘束(2 fsのタイムステップを可能にする)
rigidWater=True,
ewaldErrorTolerance=0.0005
)
return modeller, system
2. エネルギー最小化
from openmm.app import *
from openmm import *
from openmm.unit import *
def minimize_energy(modeller, system, output_pdb="minimized.pdb",
max_iterations=1000, tolerance=10.0):
"""
立体的な衝突を取り除くためにシステムのエネルギーを最小化します。
Args:
modeller: トポロジーと位置を持つModellerオブジェクト
system: OpenMM System
output_pdb: 最小化された構造を保存するパス
max_iterations: 最小化の最大ステップ数
tolerance: kJ/mol/nm単位での収束基準
Returns:
最小化された位置を持つシミュレーションオブジェクト
"""
# インテグレータを設定(最小化には関係ない)
integrator = LangevinMiddleIntegrator(300*kelvin, 1/picosecond, 0.004*picoseconds)
# シミュレーションを作成
# 利用可能であればGPU(CUDAまたはOpenCL)を使用し、CPUにフォールバック
try:
platform = Platform.getPlatformByName('CUDA')
properties = {'DeviceIndex': '0', 'Precision': 'mixed'}
except Exception:
try:
platform = Platform.getPlatformByName('OpenCL')
properties = {}
except Exception:
platform = Platform.getPlatformByName('CPU')
properties = {}
simulation = Simulation(
modeller.topology, system, integrator,
platform, properties
)
simulation.context.setPositions(modeller.positions)
# 初期エネルギーをチェック
state = simulation.context.getState(getEnergy=True)
print(f"Initial energy: {state.getPotentialEnergy()}")
# 最小化
simulation.minimizeEnergy(
tolerance=tolerance*kilojoules_per_mole/nanometer,
maxIterations=max_iterations
)
state = simulation.context.getState(getEnergy=True, getPositions=True)
print(f"Minimized energy: {state.getPotentialEnergy()}")
# 最小化された構造を保存
with open(output_pdb, 'w') as f:
PDBFile.writeFile(simulation.topology, state.getPositions(), f)
return simulation
3. NVT平衡化
from openmm.app import *
from openmm import *
from openmm.unit import *
def run_nvt_equilibration(simulation, n_steps=50000, temperature=300,
report_interval=1000, output_prefix="nvt"):
"""
NVT平衡化: 定数N、V、T。
速度を目標温度に平衡化します。
Args:
simulation: OpenMM Simulation(最小化後)
n_steps: MDステップ数(50000 × 2fs = 100 ps)
temperature: ケルビン単位の温度
report_interval: データレポート間のステップ数
output_prefix: トラジェクトリとログのファイルプレフィックス
"""
# NVT中のバックボーンの位置拘束を追加
# (オプション: 重原子を拘束)
# 温度を設定
simulation.context.setVelocitiesToTemperature(temperature*kelvin)
# レポーターを追加
simulation.reporters = []
# ログファイル
simulation.reporters.append(
StateDataReporter(
f"{output_prefix}_log.txt",
report_interval,
step=True,
potentialEnergy=True,
kineticEnergy=True,
(原文がここで切り詰められています) 📜 原文 SKILL.md(Claudeが読む英語/中国語)を展開
Molecular Dynamics
Overview
Molecular dynamics (MD) simulation computationally models the time evolution of molecular systems by integrating Newton's equations of motion. This skill covers two complementary tools:
- OpenMM (https://openmm.org/): High-performance MD simulation engine with GPU support, Python API, and flexible force field support
- MDAnalysis (https://mdanalysis.org/): Python library for reading, writing, and analyzing MD trajectories from all major simulation packages
Installation:
conda install -c conda-forge openmm mdanalysis nglview
# or
pip install openmm mdanalysis
When to Use This Skill
Use molecular dynamics when:
- Protein stability analysis: How does a mutation affect protein dynamics?
- Drug binding simulations: Characterize binding mode and residence time of a ligand
- Conformational sampling: Explore protein flexibility and conformational changes
- Protein-protein interaction: Model interface dynamics and binding energetics
- RMSD/RMSF analysis: Quantify structural fluctuations from a reference structure
- Free energy estimation: Compute binding free energy or conformational free energy
- Membrane simulations: Model proteins in lipid bilayers
- Intrinsically disordered proteins: Study IDR conformational ensembles
Core Workflow: OpenMM Simulation
1. System Preparation
from openmm.app import *
from openmm import *
from openmm.unit import *
import sys
def prepare_system_from_pdb(pdb_file, forcefield_name="amber14-all.xml",
water_model="amber14/tip3pfb.xml"):
"""
Prepare an OpenMM system from a PDB file.
Args:
pdb_file: Path to cleaned PDB file (use PDBFixer for raw PDB files)
forcefield_name: Force field XML file
water_model: Water model XML file
Returns:
pdb, forcefield, system, topology
"""
# Load PDB
pdb = PDBFile(pdb_file)
# Load force field
forcefield = ForceField(forcefield_name, water_model)
# Add hydrogens and solvate
modeller = Modeller(pdb.topology, pdb.positions)
modeller.addHydrogens(forcefield)
# Add solvent box (10 Å padding, 150 mM NaCl)
modeller.addSolvent(
forcefield,
model='tip3p',
padding=10*angstroms,
ionicStrength=0.15*molar
)
print(f"System: {modeller.topology.getNumAtoms()} atoms, "
f"{modeller.topology.getNumResidues()} residues")
# Create system
system = forcefield.createSystem(
modeller.topology,
nonbondedMethod=PME, # Particle Mesh Ewald for long-range electrostatics
nonbondedCutoff=1.0*nanometer,
constraints=HBonds, # Constrain hydrogen bonds (allows 2 fs timestep)
rigidWater=True,
ewaldErrorTolerance=0.0005
)
return modeller, system
2. Energy Minimization
from openmm.app import *
from openmm import *
from openmm.unit import *
def minimize_energy(modeller, system, output_pdb="minimized.pdb",
max_iterations=1000, tolerance=10.0):
"""
Energy minimize the system to remove steric clashes.
Args:
modeller: Modeller object with topology and positions
system: OpenMM System
output_pdb: Path to save minimized structure
max_iterations: Maximum minimization steps
tolerance: Convergence criterion in kJ/mol/nm
Returns:
simulation object with minimized positions
"""
# Set up integrator (doesn't matter for minimization)
integrator = LangevinMiddleIntegrator(300*kelvin, 1/picosecond, 0.004*picoseconds)
# Create simulation
# Use GPU if available (CUDA or OpenCL), fall back to CPU
try:
platform = Platform.getPlatformByName('CUDA')
properties = {'DeviceIndex': '0', 'Precision': 'mixed'}
except Exception:
try:
platform = Platform.getPlatformByName('OpenCL')
properties = {}
except Exception:
platform = Platform.getPlatformByName('CPU')
properties = {}
simulation = Simulation(
modeller.topology, system, integrator,
platform, properties
)
simulation.context.setPositions(modeller.positions)
# Check initial energy
state = simulation.context.getState(getEnergy=True)
print(f"Initial energy: {state.getPotentialEnergy()}")
# Minimize
simulation.minimizeEnergy(
tolerance=tolerance*kilojoules_per_mole/nanometer,
maxIterations=max_iterations
)
state = simulation.context.getState(getEnergy=True, getPositions=True)
print(f"Minimized energy: {state.getPotentialEnergy()}")
# Save minimized structure
with open(output_pdb, 'w') as f:
PDBFile.writeFile(simulation.topology, state.getPositions(), f)
return simulation
3. NVT Equilibration
from openmm.app import *
from openmm import *
from openmm.unit import *
def run_nvt_equilibration(simulation, n_steps=50000, temperature=300,
report_interval=1000, output_prefix="nvt"):
"""
NVT equilibration: constant N, V, T.
Equilibrate velocities to target temperature.
Args:
simulation: OpenMM Simulation (after minimization)
n_steps: Number of MD steps (50000 × 2fs = 100 ps)
temperature: Temperature in Kelvin
report_interval: Steps between data reports
output_prefix: File prefix for trajectory and log
"""
# Add position restraints for backbone during NVT
# (Optional: restraint heavy atoms)
# Set temperature
simulation.context.setVelocitiesToTemperature(temperature*kelvin)
# Add reporters
simulation.reporters = []
# Log file
simulation.reporters.append(
StateDataReporter(
f"{output_prefix}_log.txt",
report_interval,
step=True,
potentialEnergy=True,
kineticEnergy=True,
temperature=True,
volume=True,
speed=True
)
)
# DCD trajectory (compact binary format)
simulation.reporters.append(
DCDReporter(f"{output_prefix}_traj.dcd", report_interval)
)
print(f"Running NVT equilibration: {n_steps} steps ({n_steps*2/1000:.1f} ps)")
simulation.step(n_steps)
print("NVT equilibration complete")
return simulation
4. NPT Equilibration and Production
def run_npt_production(simulation, n_steps=500000, temperature=300, pressure=1.0,
report_interval=5000, output_prefix="npt"):
"""
NPT production run: constant N, P, T.
Args:
n_steps: Production steps (500000 × 2fs = 1 ns)
temperature: Temperature in Kelvin
pressure: Pressure in bar
report_interval: Steps between reports
"""
# Add Monte Carlo barostat for pressure control
system = simulation.context.getSystem()
system.addForce(MonteCarloBarostat(pressure*bar, temperature*kelvin, 25))
simulation.context.reinitialize(preserveState=True)
# Update reporters
simulation.reporters = []
simulation.reporters.append(
StateDataReporter(
f"{output_prefix}_log.txt",
report_interval,
step=True,
potentialEnergy=True,
temperature=True,
density=True,
speed=True
)
)
simulation.reporters.append(
DCDReporter(f"{output_prefix}_traj.dcd", report_interval)
)
# Save checkpoints
simulation.reporters.append(
CheckpointReporter(f"{output_prefix}_checkpoint.chk", 50000)
)
print(f"Running NPT production: {n_steps} steps ({n_steps*2/1000000:.2f} ns)")
simulation.step(n_steps)
print("Production MD complete")
return simulation
Trajectory Analysis with MDAnalysis
1. Load Trajectory
import MDAnalysis as mda
from MDAnalysis.analysis import rms, align, contacts
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
def load_trajectory(topology_file, trajectory_file):
"""
Load an MD trajectory with MDAnalysis.
Args:
topology_file: PDB, PSF, or other topology file
trajectory_file: DCD, XTC, TRR, or other trajectory
"""
u = mda.Universe(topology_file, trajectory_file)
print(f"Universe: {u.atoms.n_atoms} atoms, {u.trajectory.n_frames} frames")
print(f"Time range: 0 to {u.trajectory.totaltime:.0f} ps")
return u
2. RMSD Analysis
def compute_rmsd(u, selection="backbone", reference_frame=0):
"""
Compute RMSD of selected atoms relative to reference frame.
Args:
u: MDAnalysis Universe
selection: Atom selection string (MDAnalysis syntax)
reference_frame: Frame index for reference structure
Returns:
numpy array of (time, rmsd) values
"""
# Align trajectory to minimize RMSD
aligner = align.AlignTraj(u, u, select=selection, in_memory=True)
aligner.run()
# Compute RMSD
R = rms.RMSD(u, select=selection, ref_frame=reference_frame)
R.run()
rmsd_data = R.results.rmsd # columns: frame, time, RMSD
return rmsd_data
def plot_rmsd(rmsd_data, title="RMSD over time", output_file="rmsd.png"):
"""Plot RMSD over simulation time."""
fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 4))
ax.plot(rmsd_data[:, 1] / 1000, rmsd_data[:, 2], 'b-', linewidth=0.5)
ax.set_xlabel("Time (ns)")
ax.set_ylabel("RMSD (Å)")
ax.set_title(title)
ax.axhline(rmsd_data[:, 2].mean(), color='r', linestyle='--',
label=f'Mean: {rmsd_data[:, 2].mean():.2f} Å')
ax.legend()
plt.tight_layout()
plt.savefig(output_file, dpi=150)
return fig
3. RMSF Analysis (Per-Residue Flexibility)
def compute_rmsf(u, selection="backbone", start_frame=0):
"""
Compute per-residue RMSF (flexibility).
Returns:
resids, rmsf_values arrays
"""
# Select atoms
atoms = u.select_atoms(selection)
# Compute RMSF
R = rms.RMSF(atoms)
R.run(start=start_frame)
# Average by residue
resids = []
rmsf_per_res = []
for res in u.select_atoms(selection).residues:
res_atoms = res.atoms.intersection(atoms)
if len(res_atoms) > 0:
resids.append(res.resid)
rmsf_per_res.append(R.results.rmsf[res_atoms.indices].mean())
return np.array(resids), np.array(rmsf_per_res)
4. Protein-Ligand Contacts
def analyze_contacts(u, protein_sel="protein", ligand_sel="resname LIG",
radius=4.5, start_frame=0):
"""
Track protein-ligand contacts over trajectory.
Args:
radius: Contact distance cutoff in Angstroms
"""
protein = u.select_atoms(protein_sel)
ligand = u.select_atoms(ligand_sel)
contact_frames = []
for ts in u.trajectory[start_frame:]:
# Find protein atoms within radius of ligand
distances = contacts.contact_matrix(
protein.positions, ligand.positions, radius
)
contact_residues = set()
for i in range(distances.shape[0]):
if distances[i].any():
contact_residues.add(protein.atoms[i].resid)
contact_frames.append(contact_residues)
return contact_frames
Force Field Selection Guide
| System | Recommended Force Field | Water Model |
|---|---|---|
| Standard proteins | AMBER14 (amber14-all.xml) |
TIP3P-FB |
| Proteins + small molecules | AMBER14 + GAFF2 | TIP3P-FB |
| Membrane proteins | CHARMM36m | TIP3P |
| Nucleic acids | AMBER99-bsc1 or AMBER14 | TIP3P |
| Disordered proteins | ff19SB or CHARMM36m | TIP3P |
System Preparation Tools
PDBFixer (for raw PDB files)
from pdbfixer import PDBFixer
from openmm.app import PDBFile
def fix_pdb(input_pdb, output_pdb, ph=7.0):
"""Fix common PDB issues: missing residues, atoms, add H, standardize."""
fixer = PDBFixer(filename=input_pdb)
fixer.findMissingResidues()
fixer.findNonstandardResidues()
fixer.replaceNonstandardResidues()
fixer.removeHeterogens(True) # Remove water/ligands
fixer.findMissingAtoms()
fixer.addMissingAtoms()
fixer.addMissingHydrogens(ph)
with open(output_pdb, 'w') as f:
PDBFile.writeFile(fixer.topology, fixer.positions, f)
return output_pdb
GAFF2 for Small Molecules (via OpenFF Toolkit)
# For ligand parameterization, use OpenFF toolkit or ACPYPE
# pip install openff-toolkit
from openff.toolkit import Molecule, ForceField as OFFForceField
from openff.interchange import Interchange
def parameterize_ligand(smiles, ff_name="openff-2.0.0.offxml"):
"""Generate GAFF2/OpenFF parameters for a small molecule."""
mol = Molecule.from_smiles(smiles)
mol.generate_conformers(n_conformers=1)
off_ff = OFFForceField(ff_name)
interchange = off_ff.create_interchange(mol.to_topology())
return interchange
Best Practices
- Always minimize before MD: Raw PDB structures have steric clashes
- Equilibrate before production: NVT (50–100 ps) → NPT (100–500 ps) → Production
- Use GPU: Simulations are 10–100× faster on GPU (CUDA/OpenCL)
- 2 fs timestep with HBonds constraints: Standard; use 4 fs with HMR (hydrogen mass repartitioning)
- Analyze only equilibrated trajectory: Discard first 20–50% as equilibration
- Save checkpoints: MD runs can fail; checkpoints allow restart
- Periodic boundary conditions: Required for solvated systems
- PME for electrostatics: More accurate than cutoff methods for charged systems
Additional Resources
- OpenMM documentation: https://openmm.org/documentation.html
- MDAnalysis user guide: https://docs.mdanalysis.org/
- GROMACS (alternative MD engine): https://manual.gromacs.org/
- NAMD (alternative): https://www.ks.uiuc.edu/Research/namd/
- CHARMM-GUI (web-based system builder): https://charmm-gui.org/
- AmberTools (free Amber tools): https://ambermd.org/AmberTools.php
- OpenMM paper: Eastman P et al. (2017) PLOS Computational Biology. PMID: 28278240
- MDAnalysis paper: Michaud-Agrawal N et al. (2011) J Computational Chemistry. PMID: 21500218
同梱ファイル
※ ZIPに含まれるファイル一覧。`SKILL.md` 本体に加え、参考資料・サンプル・スクリプトが入っている場合があります。
- 📄 SKILL.md (14,700 bytes)
- 📎 references/mdanalysis_analysis.md (5,643 bytes)