poleca:
Eksperymentalne
badanie reakcji transferu wodoru jest trudne, ponieważ reakcje te
następują w ultraszybkich femtosekundowych skalach czasu, a systemy
enzymów są zbyt duże, by uzyskać czyste widma. Opisanie ich teoretycznie
w dużych systemach, takich jak enzymy, stanowi wyzwanie ze względu na
dynamikę kwantową protonu.
Dokładne algorytmy obliczeniowe wymagają równowagi między
wyjaśnieniem silnych efektów kwantowych występujących w niewielkich
zakresach swobody i słabych efektów kwantowych w dużych systemach w
sensie całościowym. Naukowcy opracowali taką metodę w ramach
finansowanego przez UE projektu "VASPT2: A method for targeted quantum
dynamics of hydrogen transfer reactions" (VASPT2).
System podzielono na regiony aktywne (mały i lokalny) oraz regiony
"kąpieli" (duży i globalny). Następnie do regionów aktywnych zastosowano
podejście wymagające obliczeniowo, a względem pozostałej części systemu
i połączenia między dwoma regionami — podejście pola średniego. To
ostatnie skupia się na cząsteczce lub obiekcie i zastępuje wszystkie
interakcje z innymi obiektami interakcją średnią. Nową metodę
zastosowano względem kwasu mrówkowego, systemu prototypowego o słabych i
silnych współzależnościach. Zademonstrowano, że prognozy teoretyczne
funkcji fal wibracyjnych (fundamentalnych pasm widmowych) dość dokładnie
odpowiadają wartościom eksperymentalnym.
Zespół opracował także metodę opisywania półglobalnych powierzchni
energii potencjalnej związanych z reakcjami transferu wodoru. Znów
jednak nastąpił kompromis między ładunkiem obliczeniowym a potrzebą
opisania dynamiki kwantowej. Członkowie projektu VASPT2 wykorzystali
nowatorskie podejście oparte na regresji liniowej, aby dopasować
półglobalną powierzchnię energii potencjalnej, która minimalizuje
"nadmierne dopasowanie", jednak nie generuje dziur niefizycznych.
Nowatorskie ramy, zastosowane w nowym programie dynamiki kwantowej o
nazwie DYNAMOL, zapewniają efektywne obliczeniowo i dokładne opisy
reakcji transferu wodoru. Oczekuje się, że pomogą one odpowiedzieć na
jedno z najważniejszych otwartych pytań w dziedzinie biochemii, a
mianowicie czy efekty kwantowe są ważne dla reakcji enzymatycznych.
Projekt VASPT2 wniósł znaczny wkład w konstrukcję ulepszonej katalizy,
która ma tak duże znaczenie dla wielu powiązanych reakcji przemysłowych.
