FeNNix-Bio1: A Foundation Model for Accurate Atomistic Simulations in Drug Design
合成QCデータのみで訓練したNNP基盤モデル — HFE/ABFE/タンパク質折り畳み/化学反応を単一モデルで(Plé, Piquemal et al., ChemRxiv 2025)
🎯 手動力場パラメータ化なしに量子精度の創薬MDを実現し、AlphaFold等の静的構造予測と動的物理シミュレーションをつなぐ
① 背景と課題

古典力場(GAFF/AMBER/CHARMM)は手動パラメータ化が必要で、新規スキャフォールドや非標準残基では精度が劣化する。先行 ML ポテンシャル(ANI / MACE-OFF23)は荷電種を扱えない・凝縮相精度が不足するなどの制約があった。

既存力場:パラメータ化に専門家コスト、化学的反応性を扱えない
先行 NNP:荷電種除外、長距離静電気力の弱さ、核量子効果の無視

→ 創薬MDのあらゆる用途を単一の foundation NNP でカバーする統合基盤が必要

② 手法: FeNNix-Bio1 アーキテクチャ

FeNNol(JAX)上に実装された E(3)-等変 NNP。短距離 NN 記述 + AMOEBA 風の長距離静電項 + 分散補正で全エネルギーを構成。

原子座標 + 元素種 + 全電荷

非局所電荷埋め込み(イオン対応)
↓ 短距離 NN(4-6 Å)
+ 長距離静電(AMOEBA 風)
+ 分散補正

力 → MD 統合

2 サイズ: Bio1(S) 軽量・高速、Bio1(M) 高精度。合成 QC データのみで訓練。

② 手法: 核量子効果(adQTB 統合)

Adaptive Quantum Thermal Bath で零点振動・トンネリングを古典 MD 内で近似し、計算コストを古典並みに維持しつつ凝縮相を量子精度で扱う。

adQTB
古典 MD 並みの速度で核量子効果を再現

Lambda-ABF(λ 空間 ABF)で HFE / ABFE のアルケミカル計算も単一フレームワーク内で実施。

③ 本研究で示したこと
  • FreeSolv 642 分子で sub-kcal/mol 精度(Bio1(M) RMSE = 0.58 kcal/mol)
  • Na⁺/Cl⁻ 等イオンの溶媒和も実験値と一致(MACE-OFF23 が扱えない領域)
  • 水の凝縮相(蒸発エンタルピー・密度・RDF)で MB-Pol / Q-AMOEBA クラス精度
  • HFE・ABFE・タンパク質折り畳み・化学反応を単一モデルでカバー
  • FeNNol ライブラリで GitHub 公開(JAX)
④ 主要結果 (a) FreeSolv HFE RMSE

40 分子評価セット(学習外)での比較

手法RMSE (kcal/mol)
GAFF1.32
MACE-OFF230.91
FeNNix-Bio1(S)0.88
FeNNix-Bio1(M)0.58
④ 主要結果 (b) 水の凝縮相熱力学

蒸発エンタルピー・密度・動径分布関数

手法水の物性精度
TIP3P
MACE-OFF23
MB-Pol高(高コスト)
FeNNix-Bio1+adQTB最高(古典並み速度)
④ 主要結果 (c) 用途横断の単一モデル

1モデルで多様な創薬計算をカバー

  • HFE(FreeSolv 642 分子)
  • ABFE(タンパク質-リガンド絶対 ΔG)
  • イオン溶媒和(Na⁺/Cl⁻)
  • 短鎖ペプチド可逆折り畳み
  • 化学反応シミュレーション
④ 主要結果 (d) 実装と公開

FeNNol ライブラリで GitHub 公開(JAX)

JAX/GPU
FeNNol-Institute/FeNNol で公開

ChemRxiv プレプリント段階。AMBER/GROMACS への直接統合は未提供(今後)。

⑤ テイクホームメッセージ
⚛️ 合成QCデータのみで量子精度
実験データ不要・手動 FF パラメータ不要で sub-kcal/mol 精度。新規スキャフォールドにも適用容易。
🔋 イオン・核量子効果を統合
非局所電荷埋め込み + adQTB により MACE-OFF23 が扱えない領域を踏破。凝縮相精度が大幅向上。
🧬 1モデルで創薬全工程
HFE / ABFE / 折り畳み / 反応を単一 NNP でカバー。AlphaFold + FeNNix で動的構造予測も視野。
🔓 FeNNol で公開
JAX ベース実装。GPU 環境で即試せ、論文中の評価セットを再現可能。
ケムインフォマティクスへの応用
適用先ユースケース
lib/fepDockFEP / MMGBSA を NNP エネルギーに置換 → スキャフォールドホッピング ABFE
lib/fepHFE による LogD/溶解性の物理的 ADME フィルタ
lib/mdRMSDAnalyzer / HBondAnalyzer のリガンド系トラジェクトリ生成基盤

macrocycle・PROTACs・非標準残基など FF パラメータ化が困難な系で特に有効

本研究のインパクト
  • 創薬MDの「FFパラメータ化ボトルネック」を実質的に解消
  • AlphaFold(静的構造)と動的シミュレーションを橋渡し
  • イオン溶媒和・反応性を含む統合創薬計算基盤の起点