Summary
強化されたQM/MM法を用いて、ポルフィセンにおける二重陽子転写プロセスに対する同位体効果を調べたプロトコルを紹介する。
Abstract
ポルフィセンにおける単一重水素置換は非対称分子幾何学を引き起こし、ポルフィセン分子における二重陽子転写プロセスに影響を与える可能性がある。本研究では、SITS-QM/MMと呼ばれる高められたQM/MM法を用いて、ポルフィセンにおける二重陽子転写に対する水素/重水素(H/D)同位体の影響を調べた。SITS-QM/MM分子ダイナミクスシミュレーションにおける距離変化は、重水素置換ポルフィセンがステップワイズ二重陽子伝達機構を採用していることを示唆した。二重陽子転写プロセスの構造解析と自由エネルギーシフトは、非対称同位体置換が共生水素結合を代入して圧縮し、元の遷移状態位置を変化させる可能性があることを示した。
Introduction
ポルフィセンにおける陽子転写プロセスは、分子スイッチ、トランジスタおよび情報記憶装置1、2の開発における潜在的な応用を有する。特に、二重陽子転写プロセスを介したポルフィセンにおけるツオテナライゼーションは、分光法および光物理学2の分野で広く関心を集めている。ポルフィセンの内部水素原子は、図1に示すように二重陽子伝達プロセスを介して、一方のトランス異性ソーマーから他の等価なトランス異性ソーマーに移行することができる。二重陽子転写プロセスには2つのメカニズムが提案されている:協調および段階的なメカニズム3、4。協調二重陽子転写プロセスでは、両方の陽子原子が対称的な方法で同期的に遷移状態に移動するのに対称的な方法で、一方の陽子はステップワイズプロセスで他方の陽子の前に転写を完了する。2つの水素原子は、2つの水素原子間の相関強度に応じて同時または段階的に移動することができる5。
同位体置換は、分子の構造特性および反応動態のレート定数6を検出するために使用されてきた。ポルフィセンの内部水素における単一重水素置換は、分子の非対称形状につながる。水素結合は、水素原子と重水素原子の質量差により膨張または収縮する可能性がある。同位体置換は、ポルフィセンの足場に摂動を導入する。非対称構造が陽子転写プロセスに影響を与えるかどうかという疑問が生じます。リンバッハと同僚は、水素を重水素と交換すると水素結合が両方を圧縮し、ポルフィセンにおける2つの水素結合の協調結合が協調メカニズム7を支持する可能性があると報告した。重水素化は、段階的なメカニズムが協調メカニズム8よりも寄与するだろう。力分光などの実験技術は、単一のポルフィセン9でツトウマライゼーションの詳細を捕捉するために開発された。しかし、一過性の性質上、プロトン転移の原子的詳細を実験的に決定することは依然として困難である。
理論的な計算とシミュレーションは、陽子転写の反応機構を解明する際の補完的なツールとして機能する。異なる理論的方法の中で、分子力学(MD)シミュレーションは、各原子の動的運動を監視することができ、化学的および酵素反応の複雑なメカニズムを明らかにするために広く使用されてきました。ただし、通常の MD シミュレーションでは、特に関心のあるプロセスに高エネルギーバリアが存在する場合は、サンプリングの問題が不十分な傾向があります。したがって、拡張サンプリング方法は、遷移経路サンプリング10、11、傘サンプリング(米国)12、13、および統合焼戻しサンプリング(ITS)14を含む、 15.異なる強化されたサンプリング方法の組み合わせは、さらにサンプリング効率16、17、18を高めることができます。化学反応のシミュレーションにおける強化されたサンプリングアルゴリズムを利用するために、我々は最近19の量子機械および分子機械(QM/MM)電位を有する選択的統合焼戻しサンプリング(SITS)法を実施した。提案されたSITS-QM/MM法は、両方の方法からの利点を組み合わせた:SITS法はサンプリングを加速し、反応メカニズムの事前の知識なしですべての可能な反応チャネルを探索することができ、QM/MMはより正確な説明を提供するMMメソッドだけではシミュレートできない結合形成および結合破壊プロセス。実装されたSITS-QM/MMアプローチは、反応座標19を事前に定義することなく、異なるシステムにおける協調二重陽子転写、相関性のない、相関性の高い二重陽子伝達機構を発見することに成功した。ポルフィセンの場合、ステップワイズが相関する陽子転写特性が19と報告されている。ハイブリッドSITS-QM/MM法は、本研究におけるポルフィセンにおける同位体効果を調えるために用いられ、以下は我々の方法のアルゴリズムとプロトコルの詳細な説明である。
ハイブリッドQM/MMポテンシャルを持つSITS方式を実装しました。SITSの有効な電位は、より広い温度範囲をカバーするために、重み付け係数n kと異なる温度での潜在的なエネルギーを含むように定義されました。
ここで、N は正規項の数であり、β kは逆温度であり、n kは各正規成分に対応する重み付け係数です。UE (R) およびUN(R) は、SITS の拡張用語および非拡張用語を表し、
Us、U seおよびU eは、サブシステムの潜在的なエネルギー、サブシステムと環境との相互作用、および環境の潜在的なエネルギーである。QM/MM電位は、3つのコンポーネントのハイブリッド合計として表され、
ここで、U qm、U qm/mm、およびUmmは、QM サブシステムの内部エネルギー項、QM 領域と MM 領域間の相互作用エネルギー、および MM サブシステム内の相互作用エネルギーです。Uqm/mm項は、静電、ファンデルワール、およびQMとMM原子間の共生相互作用エネルギー条件を含む3つの成分にさらに分割することができ、
SITS
の
1 つのU用語に割り当てます。
その後、システムの全電位は、サブシステムUsのエネルギー、サブシステムと環境U seとの相互作用エネルギー、および環境U eのエネルギーに分解された。例えば、本作業のシステムでは、サブシステムはポルフィエンスであり、環境は水である。
集合変数τ(R) に沿った PMF プロファイルは、
N1-H1···N2は q1 = (r1-r2)/2 = r 1 + r 2であり、1 は N1-H1 の距離であり、r2はの距離です。H1 -N2
この方法は、QM/MM MD シミュレーション パッケージ QM4D20で実装されています。完全なソースコードとドキュメントは、こちらのhttp://www.qm4d.info/。
一般に、SITS-QM/MM MD シミュレーションには、事前平衡(プレシスト)の 4 つのステップが含まれます。最適化nk (オプトシティング);生産シミュレーションとデータ分析を行います。
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Protocol
1. 建物モデル
- ポルフィセン構造を構築する:マウスをダブルクリックしてガウスビューソフトウェアを開きます。次に、GaussViewのメニューで[要素フラグメント]ボタンをクリックして、必要な要素を選択します。ポルフィセンを構築します。次に、[ファイル]ボタンをクリックして pdb ファイルとして保存します。
- モデルをソルベートします。Linux オペレーティングシステムでコマンドを発行することにより、エッジの長さが 38 Å の立方体 TIP3P21ウォーターボックス内のソルベート ポルフィセン: genbox_d -cp prp-vac.pdb -cs spc216.gro -o solv.pdb -maxsol 1484 -maxsol 1484 -box 3.8.
- 重水素ポルフィセンを構築する:トポロジ ファイルを生成するには、次のコマンドを発行します。次に、viコマンドでprp-wat.psfを開き、H1の質量を1.00800から2.01600に変更し、ポルフィセンの1つの分子内水素原子を重水素に置き換え、単一重水素置換ポルフィセンを構築します。
-
通常の MD シミュレーション パラメータを設定します。入力メソッドscctb、整数0.5 fs、およびviコマンドで開くことによって MD 入力ファイルのカットオフ 12。
注: vdW と静電相互作用の両方を計算するために、カットオフ距離 12 Å を採用します。DFTB/MIO法22でポルフィセン分子をシミュレートします。MD シミュレーションの積分時間ステップを 0.5 fs に設定します。ランゲビンサーモスタットでシミュレーションシステムの温度を300Kに維持します。次に、以下の手順に従って QM4D ソフトウェアを使用してシミュレーションを実行します。
2. プレシ座
-
温度パラメータの設定:入力ファイルにtemplow 260、temphigh 1100およびntemp 160を入力します。
注:260Kから1100Kまでの温度範囲は、MDシミュレーション中にQM4Dソフトウェアによって160温度ポイントに広がりました。テンプレート入力ファイルは、補足ファイルに含まれています。 -
プレシ座を開始する:入力ファイルにruntype 100とステップ 120,000を設定します。次に、次のコマンドを発行します: $PATH/qm4d $INPUTFILE >$OUTPUTFILE.
注: 合計ステップは 120,000 ですが、特定のニーズに応じて調整できます。MD シミュレーションの推奨パラメータは、$INPUTFILEに保存されます。 同じコマンドは、次のオプトシストおよび本番シミュレーションステップでも使用され、それに応じて入力ファイルが変更されます。 -
分解エネルギーの計算
- エネルギー変化の抽出: プレシストステージでは、各項のエネルギーを監視して平均値を計算します(図1に示すように)。grep Linux コマンドを使用して、次のようにエネルギーを抽出します。
grep 'SITS-ener0' $INPUTFILE | awk '{a+=$3;b+=$4;c+=$5}END{印刷 a/NR、b/NR、c/NR} - MD 入力ファイルの平均エネルギーを変更する: 上記のコマンド ラインの出力に基づいて平均エネルギーを計算し、新しく生成された平均を持つ入力ファイル内の入力ファイルのvshift0 -30801.95; vshift1 -26.88; vshift2 -13888.28を変更します。
注: 数値 -30801.85、-26.88 および -13888.28 は、現在のモデル システムの平均エネルギーです。特定のシステムに基づいて値を変更してください。
- エネルギー変化の抽出: プレシストステージでは、各項のエネルギーを監視して平均値を計算します(図1に示すように)。grep Linux コマンドを使用して、次のようにエネルギーを抽出します。
3. オプトシ座
- オプトシ座を開始する:入力ファイルに runtype 0を設定します。次に、手順 2.2 に示すようにコマンドを入力して QM4D プログラムを開始し、最適化ステップを開始します。
-
エネルギー変化の監視とnk 値。
- 「恵み」プログラムでエネルギー伝播をプロットし、エネルギー変動が温度範囲の最も低い端と最高端をカバーできることを確認します。
- 最適化後、opt-sthe ステップの最後のnk値を新しいファイルに保存します。
4. 本番シミュレーションの実行
- MD 入力ファイルの準備:新しい入力ファイルにruntype 1を設定して、生産シミュレーション ステップを開始します。格納されているnkファイルのファイル名を、入力ファイルにnkfile nk.datとして指定します。現在のシステムでは、時間ステップ数を6,400,000に設定しました。
-
本番MDシミュレーションの開始:MD シミュレーションを開始するには、次のコマンドを発行します: $PATH/qm4d $INPUTFILE >$OUTPUTFILE.
注: n k値が QM4D ソフトウェアによって読み込まれる可能性があることを確認します。シミュレーション時間はシステムに依存するため、特定の要求に基づいてシミュレーションステップを変更します。独自のシステムに十分なシミュレーション時間を確保するために、適切な時間ステップを選択します。この手順には時間がかかる可能性が高いので、再起動ファイルを保存して、一度中断された後の最初から本番環境を再起動しないようにします。
5 データ分析
-
距離の変化の監視
- 生産段階で結合形成および破断プロセスを監視し、grepコマンドを使用してシミュレーション時間に沿って H1-N1 および H1-N2 の距離変化を確認します。H2-N3およびH2-N4についても同じ操作を行うことができます。次に、生産シミュレーション中に累積距離値を使用して距離伝播をプロットします。
-
反応座標の抽出
- grepコマンドによって QM4D によって生成された生産出力ファイルから反応座標とエネルギー項を抽出します。
グレップ 'dist 1' $OUTPUTFILE |awk '{印刷 $5}' > 距離1;
グレップ 'ener0' $OUTPUTFILE > ener0. - q 1、q 2、U0、U' の 4つの列にデータを編成し、各時間枠でデータ ファイルに書き込みます。
- grepコマンドによって QM4D によって生成された生産出力ファイルから反応座標とエネルギー項を抽出します。
-
自由エネルギーの計算
- 次のコマンドを発行して自由エネルギーを計算します。
sits-pmf 300 $INPUTFILE PMF2 [hist_minx hist_maxx num_binsx] [hist_miny hist_maxy num_binsy] > $OUTPUTFILE.
注: sits-pmf はヒストグラムベースの分析方法です。[hist_minx hist_maxx num_binsx] は、最初の反応座標のビンの範囲と数を定義します。2番目の反応座標は[hist_miny hist_maxy num_binsy]によって設定できます。 - 2 次元ランドスケープに自由エネルギーを投影するには、次のコマンドを入力します。
sat-pmf 300 h1-2d.dat PMF2 -0.6 0.6 24 2.45 4.25 36 > sits-pmf.out.
注: 2 つの選択された反応座標 (q1と q 2) の距離の変化をカバーするために、合計 24 個のビンと 36 個のビンを使用します。各水素/重水素の 2D PMF データをsits-pmf.outファイルに保存します。
- 次のコマンドを発行して自由エネルギーを計算します。
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Representative Results
ポルフィセンにおける二重陽子転写プロセスに対する単一重水素置換効果を現在のプロトコルで検討した(図1)。QMサブシステムの潜在的なエネルギーと、平衡前および最適化ステップ中の水を調べ、エネルギーが広がるエネルギー範囲に広がっていることを確認した(図2)。代表的な距離と角度の変化(図3および図4)と、投影された自由エネルギー変化(図5)を用いて、重水素置換が幾何学および陽子転写プロセスに及ぼす重水素置換効果を特徴付ける。ポルフィセン。
図 1.調査された分子の構造。
ポルフィセン(A)と断定されたポルフィセン(B)の構造。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 2.MD シミュレーション中に潜在的なエネルギー変化。
QM領域(A)および環境(B)の潜在的なエネルギー変化は、プレシ座およびオプトシ座ステップにおける。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 3.特性距離が変化します。
(A) ポルフィセンのH1-N1とH2-N3の距離変化、および(B) SIRTS-QM/MMシミュレーション中の過量ポルフィセンのD1-N1およびH2-N3の距離変化。(C) 黄質の場合はH1-N1とH2-N3、(D)D1-N1およびH2-N3の距離変化の分布。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 4.生産MDシミュレーション中の水素結合角度。
(A)予防および(B)の水素結合天使は、極硫化したポルフィセンを過監した。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 5.2つの反応座標に投影された各水素移動プロセスの自由エネルギー景観(q 1,q2)。
(A)および ( B ) は、ポルフィセンにおける H1 および H2 転写の 2D 自由エネルギー景観である。(C) および (D) 2D自由エネルギー景観のD1およびH2転写の過量化されたポルフィセンにおける。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足ファイル。トポロジ ファイル、強制フィールド パラメータ ファイル、座標ファイル、および入力ファイル。ファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足映画 1.ポルフィセンビデオをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
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Discussion
ポルフィセンの構造を図1に示した。SITS法による静電埋め込みQM/MMハイブリッド電位は、水中23,24における化学反応を記述するために用いられた。陽子転移はポルフィセン3内で起こり、したがってポルフィセンはQM領域として設定され、リマインダー水はMM領域として設定されます。ここでは、効率と精度のバランスをとり、ポルフィセンを治療するためのQM法としてDFTB/MIOを採用しました22,25.サンプリング強化技術として、SITSシミュレーションは、Usの高エネルギー領域への分布を広げ、その間、目的の温度でエネルギー領域の周りに十分なサンプリングを維持することが示された。現在の場合、「オプトシッツ」ステップにおけるUsのエネルギーは、図2に示すように、「プレシスト」ステップにおける標準MDシミュレーションのエネルギーを包含するより広い範囲に広がった。一方、U eのスムーズなエネルギー変化は、QMサブシステムの温度が高いほど環境に摂動をもたらさないことを示した。SITS-QM/MM法は、水の潜在的なエネルギーに影響を与えることなく、関心のあるQM領域でのサンプリングの強化を実現しました。
図3の距離変化から、H1がN1からN2に転送され、トランジットシス状態を形成し、その後、連続して急速なH2転送を開始して、もう一方のトランス状態に再び到着することに気付きました。その逆も同様です。ダイナミクス陽子転写プロセスは、補足ムービー1に示されています。単一重水素化ポルフィセンにおけるN1とN2間の重水素D1転写は、N3とN4間のH2の転写を呼び出した。非同期距離変化は、ポルフィセンと単重水素置換ポルフィセンの両方に対するステップワイズ二重陽子転写プロセスを示した。D1-N1およびH2-N3の同様の距離分布は、2つの水素結合26に対する協調効果を示唆した。以前に報告された一次幾何学的同位元効果26と一致して、D1-N1の距離はH1-N1(1.048Å対1.051Å)の距離よりも短い。図3に示すように、3.2ns MDシミュレーション内のポルフィセンおよびその同位子種に対するHまたはDの転写は、それぞれ約135回、65回の移動を観察した。重水素化は、図4に示すように、水素結合角度に対する影響が少ない可能性があります。2つの反応チャネルで十分なサンプリングを行った結果、各陽子転移の自由エネルギー変化を計算することが可能になりました。明らかな同位体効果は、2D自由エネルギー景観で観察された。遷移状態は、反応座標 (q 1, q 2) から明らかになったように、(0.01 Å, 2.52 Å) から (-0.01 Å, 2.76 Å) にシフトされています (q1, q 2) (図 5参照)。q2値が高いほど、非結合水素結合が拡大されたことを意味する。これは、重化されたポルフィセンの非対称足場から来るかもしれません。
ポルフィセンと過熱ポルフィセンの陽子転写プロセスは、反応座標を事前に定義することなく、SITS-QM/MM MDシミュレーションによって捕捉することができます。さらに、SITS-QM/MM MDシミュレーションでは、同位体効果によってもたられた構造上の違いが明らかになった。水素結合D1-N1はH1-N1と比較して短縮された。転移状態は、重水素化によって引き起こされる非対称形状のため、q2値の値にシフトしています。共通水素結合では微妙な差しか検出されなかったが、距離差は平衡結合距離の周りに大きなエネルギー差を引き起こす可能性がある。今後の研究では、より高いレベルのQM法でこの観測をさらに検証する予定です。
SITS-QM/MMの実現可能性は、本研究で反応座標を事前に定義することなく、反応の二重チャネルで十分に検証されている。この方法は、事前反応機構が提供されない場合、既知の反応状態から反応産物を探索する可能性を有する。現在のSITS-QM/MMアプローチの導入にDFTB/MIO法を採用し、同位体効果をより深く理解しました。実装されたアプローチは、自由エネルギーの変化をキャプチャすることができますが、量子トンネリング効果を考慮せずに動的プロパティをキャプチャできない可能性があることは注目に値します。それでも、このプロトコルは、凝縮環境における化学反応メカニズムを調査する出発点として機能する。SITS-QM/MM方式は、より高いレベルのQM方式に拡張され、将来的にはより複雑なシステムを利用できる可能性があると期待しています。
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Disclosures
著者は何も開示していない。
Acknowledgments
本研究は、中国国家主要研究開発プログラム(2017YFA0206801、2018YFA0208600)、江蘇省自然科学財団、 中国国家自然科学財団(91645116)の支援を受けています。L.Xは江蘇省工科大学の中呉特任教授です。著者らは、ハオ・フー博士とミンジュン・ヤン博士からの提案を認めている。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| operating system | CentOS Linux release 6.0 | ||
| QM4D software | http://www.qm4d.info/ | in-house program | |
| Computer desktop | HP |
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