gmx ffconv: A Fast, User-Friendly Semi-Automated All-Atom Force Field Converter for GROMACS
Aaltonen J.E. | J. Chem. Inf. Model. 2025 | DOI: 10.1021/acs.jcim.5c02200
🎯 既存GROMACSシステムを CHARMM36m ⇔ AMBER/Lipid21 等の異なる全原子力場へ半自動変換し、前後変換バリデーションで精度を保証する。
① 背景と課題

異なる力場間のMDシミュレーション比較（例: 膜脂質をCHARMM36mとAMBER/Lipid21で比較）には、トポロジーの再構築が必要で従来は手動作業が多い。

CHARMM-GUI Force Field Converterは元PSF/CRDが必要でGROMACS系に非対応
力場ベンチマーク・比較シミュレーションの前処理に多大な手作業コスト

→ GROMACS形式（.gro + .itp）のみを入力として直接変換するCLIツールを開発。

② gmx ffconv の変換フロー
  1. 入力: .gro座標 + .itp/.topトポロジー（ソース力場）
  2. 原子名マッピングファイルを参照して命名規則を変換
  3. アトムタイプ・電荷・結合パラメータを対象力場に置換
  4. 分子接続グラフで水素順序依存エラーを検出・回避
  5. 出力: 対象力場の.gro + .itp/.top
③ バリデーション戦略
  • 前向き変換 (A→B) + 後向き変換 (B→A) で座標差分確認
  • GROMACS .log のエネルギー項（LJ・静電・結合）を前後比較
  • PyMOLでマッピングファイルを原子ラベル付き視覚確認
  • CHARMM-GUI出力との比較検証（DPPC膜系）
④ 主な結果 (a) 変換精度検証
前後変換バリデーション概念図 CHARMM36m .gro + .itp ffconv (A→B) Lipid21/AMBER .gro + .itp ffconv (B→A) A' (逆変換結果) 座標差 A vs A' を確認 ✓ 差 < 閾値
④ 主な結果 (b) 対応力場・分子種
分子種ソースターゲット
DPPC膜CHARMM36mLipid21
DOPECHARMM36mLipid21
CHLCHARMM36mLipid21
BZAA (低分子)CHARMMAMBER

CHARMM-GUI非依存でGROMACS系を直接変換

④ 主な結果 (c) エネルギー比較
エネルギー項の変換前後比較（概念） LJ 静電 結合 二面角 変換前 変換後
④ 主な結果 (d) 特徴まとめ
半自動 変換（原子名マッピングファイル参照）
双方向 バリデーション（前向き→後向き変換）
GROMACS 形式のみで完結（CHARMM-GUI不要）
低分子 リガンドにも対応（BZAA等）
⑤ テイクホームメッセージ
既存GROMACS系を直接変換
PSF/CRD不要でGROMACS形式から直接力場変換が可能。力場ベンチマーク研究の前処理コストを大幅削減。
前後変換バリデーションが新規性
変換精度を定量的に検証する系統的アプローチ。エネルギー項比較で異常マッピングを自動検出。
膜MDへの直接適用
DPPC・DOPE・CHL等の膜脂質でCHARMM36m⇔Lipid21変換を実証。膜力場比較研究に即活用可能。
低分子リガンドにも対応
膜系のみならず低分子BZAA等のCHARMM→AMBER変換も検証済み。タンパク質–リガンド系への応用も期待。
lib/md への適用ポイント

ForceFieldConverter クラスを lib/md に実装し gmx ffconv CLI をラップ。RMSDAnalyzer の前処理パイプラインに統合。

  • 力場変換後トポロジーを自動でHBondAnalyzerに渡す
  • 複数力場での比較MD結果をlib/mdで並列解析
本研究のインパクト
  • 力場依存性のMD比較研究の前処理を自動化
  • CHARMM36m ↔ Lipid21 の膜MDシステム変換を確立
  • 前後変換バリデーションの方法論を提示
Aaltonen J.E. gmx ffconv: A Fast, User-Friendly Semi-Automated All-Atom Force Field Converter for GROMACS. J. Chem. Inf. Model. 2025. https://doi.org/10.1021/acs.jcim.5c02200