Name: 향상된 QM/MM 방법으로 조사된 포르피센의 이중 양성자 이송 과정에서 동위원소 효과 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-07-19T15:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 51 s
Description: 배우세요 향상된 QM/MM 방법을 사용하여 포르피센의 이중 양성자 이송 과정에서 중수소 치환 효과를 분석하는 계산 화학 프로토콜입니다. 이 방법은 약물 발견을 위한 반응 경로 탐색에 활용됩니다.

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이 연구는 중국의 국가 핵심 연구 개발 프로그램 (2017YFA0206801, 2018YFA0208600), 장쑤성 자연 과학 재단 및 중국 국립 자연 과학 재단 (91645116)에 의해 지원됩니다. L.X는 장쑤성 공과대학의 중우 특별 임명 교수입니다. 저자들은 하오 후 박사와 양명준 박사의 제안을 인정합니다.

1. 건물 모델
<ol><li>
포르피센 구조 구축: 마우스를 두 번 클릭하여 GaussView 소프트웨어를 엽니다. 그런 다음 GaussView 메뉴에서 요소 조각 단추를 클릭하여 필요한 요소를 선택합니다. 포르피센을 구성합니다. 그런 다음 파일 단추를 클릭하여 pdb 파일로 저장합니다.</li>
	<li>
모델 용해: 리눅스 운영 체제에서 명령을 실행하여 38 Å의 가장자리 길이를 가진 입방 TIP3P21 물 상자에 포르피센을 Solvate: genbox_d -cp prp-vac.pdb-cs spc216.gro-o solv.pdb -maxsol 1484 -box 3.8.
</li>
	<li>
중수소 포르피센 을 구축 : 토폴로지 파일을 생성하기 위해 다음 명령을 발행합니다. 그런 다음 vi 명령으로 prp-wat.psf를 열고 H1의 질량을 1.00800에서 2.01600으로 변경하여 포르피센의 분자 내 수소 원자 를 중수소로 대체하여 단일 중수소 대체 포르피센을 구축합니다.</li>
	<li>
일반 MD 시뮬레이션 매개변수 설정: 입력 방법 scctb, 적분 0.5 fs,및 vi 명령으로 열어 MD 입력 파일에서 컷오프 12. 참고: vdW 및 정전기 상호 작용을 모두 계산하기 위해 12 Å의 컷오프 거리를 채택합니다. DFTB/MIO 방법22로포르피센 분자를 시뮬레이션합니다. MD 시뮬레이션의 통합 시간 단계를 0.5fs로 설정합니다. Langevin 온도 조절기로 시뮬레이션 시스템의 온도를 300K로 유지합니다. 그런 다음 아래 단계에 따라 QM4D 소프트웨어로 시뮬레이션을 수행합니다.</li>
</ol>2. 사전 앉아
<ol><li>
온도 매개변수 설정: 입력 파일에 입력 온도 260, temphigh 1100 및 ntemp 160. 참고: QM4D 소프트웨어에 의해 260K에서 1100K까지의 온도 범위가 MD 시뮬레이션 중에 160°C로 분산되었습니다. 템플릿 입력 파일은 보조 파일에포함되어 있습니다.</li>
	<li>
사전 앉아 시작: 입력 파일에서 runtype 100 및 단계 120,000을 설정합니다. 그런 다음 다음 명령을 $PATH/qm4d $INPUTFILE > $OUTPUTFILE. 참고: 총 단계는 120,000이지만 특정 필요에 따라 조정할 수 있습니다. MD 시뮬레이션의 제안된 매개변수는 $INPUTFILE저장됩니다. 입력 파일이 그에 따라 수정된 다음 옵트-앉아 및 프로덕션 시뮬레이션 단계에서도 동일한 명령이 사용됩니다.</li>
	<li>
분해된 에너지 계산
	<ol>
<li>에너지 변화 추출: 사전 앉아 단계 동안 그림 1과 같이 각 용어의 에너지를 모니터링하여 평균 값을 계산합니다. grep Linux 명령을 사용하여 다음과 같이 에너지를 추출합니다. grep 'SITS-ener0' $INPUTFILE | awk '{a+=$3;b=$4;c=$5}END{인쇄 a/NR, b/NR, c/NR}.</li>
		<li>MD 입력 파일의 평균 에너지 수정: 위의 명령줄 출력을 기준으로 평균 에너지를 계산하고 새로 생성된 평균을 사용하여 입력 파일에서 vshift0 -30801.95; vshift1 -26.88; vshift2 -1388.28을 수정합니다. 참고: 숫자 -30801.85, -26.88 및 -13888.28은 현재 모델 시스템의 평균 에너지입니다. 특정 시스템에 따라 값을 수정하십시오.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. 옵트-앉아
<ol><li>
옵트-앉아 시작: 입력 파일에서 런타입 0을 설정합니다. 그런 다음 2.2 단계에 표시된 대로 명령을 입력하여 QM4D 프로그램을 시작하여 최적화 단계를 시작합니다.</li>
	<li>
에너지 변화 모니터링 및 nk 값을 참조하십시오.
	<ol>
<li>"은혜" 프로그램으로 에너지 전파를 플롯하고 에너지 변동이 온도 범위의 가장 낮고 가장 높은 끝을 커버할 수 있는지 확인합니다.</li>
		<li>최적화 후 opt-sits 단계의 최종 nk 값을 새 파일에 저장합니다.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. 생산 시뮬레이션 실행
<ol><li>
MD 입력 파일 준비: 새 입력 파일에서 runtype 1을 설정하여 프로덕션 시뮬레이션 단계를 시작합니다. 저장된 nk 파일의 파일 이름을 입력 파일에서 nkfile nk.dat로 지정합니다. 현재 시스템에서 는 시간 단계 수가 6,400,000개로 설정되었습니다.</li>
	<li>
프로덕션 MD 시뮬레이션 시작: 다음 명령을 사용하여 MD 시뮬레이션을 시작합니다: $PATH/qm4d $INPUTFILE >$OUTPUTFILE. 참고: QM4D 소프트웨어에서 nk 값을 읽을 수 있는지 확인합니다. 시뮬레이션 시간은 시스템에 따라 달라지므로 특정 요구에 따라 시뮬레이션 단계를 변경합니다. 적절한 시간 단계를 선택하여 자신의 시스템에 충분한 시뮬레이션 시간을 보장합니다. 이 단계는 시간이 많이 걸리므로 파일을 다시 시작하면 처음부터 프로덕션을 다시 시작하지 않도록 파일을 저장합니다.</li>
</ol>5 데이터 분석
<ol><li>
거리 변화 모니터링
	<ol>
<li>생산 단계에서 본드 형성 및 파손 공정을 모니터링하고 grep 명령을 사용하여 시뮬레이션 시간에 따라 H1-N1 및 H1-N2의 거리 변화를 확인합니다. H2-N3 및 H2-N4에 대해동일한 작업을 수행할 수 있습니다. 그런 다음 프로덕션 시뮬레이션 중에 누적된 거리 값을 사용하여 거리 전파를 플롯합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
반응 좌표 추출
	<ol>
<li>grep 명령에 의해 QM4D에 의해 생성된 생산 출력 파일에서 반응 좌표 및 에너지 항을 추출합니다. 그레프 '디스트 1' $OUTPUTFILE | awk '{인쇄 $5}' > 거리1; grep 'ener0' $OUTPUTFILE > ener0.
</li>
		<li>q1,q 2, U0 및 U'(U0 및 U'는 출력 정상 에너지 및 가중치 에너지)의 네 개의 열로 데이터를 구성하고 각 시간 프레임에서 데이터 파일에 씁니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
자유 에너지 계산
	<ol>
<li>다음 명령을 실행하여 자유 에너지를 계산합니다. 앉아 -pmf 300 $INPUTFILE PMF2 [hist_minx hist_maxx num_binsx] [hist_miny hist_maxy num_binsy] > $OUTPUTFILE. 참고 : 앉아 - pmf는 히스토그램 기반 분석 방법입니다. [hist_minx hist_maxx num_binsx]는 첫 번째 반응 좌표에 대한 Bin의 범위와 수를 정의합니다. 두 번째 반응 좌표는 [hist_miny hist_maxy num_binsy]로 설정할 수 있습니다.</li>
		<li>2차원 가로에 자유 에너지를 투영하려면 다음 명령을 입력합니다. 앉아 -pmf 300 h1-2d.dat PMF2 -0.6 0.6 24 2.45 4.25 36 > 앉아-pmf.out. 참고: 총 24개의 저장소와 36개의 저장소를 사용하여 선택한 두 반응 좌표인 q1 및 q2의거리 변화를 각각 다룹니다. 각 수소/중수소에 대한 2D PMF 데이터를 sits-pmf.out 파일에 저장합니다.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol><li>Waluk, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ground-+and+excited-state+tautomerism+in+porphycenes%5BTitle%5D)+AND+%22Accounts+of+Chemical+Research%22%5BJournal%5D)">Ground- and excited-state tautomerism in porphycenes.</a> Accounts of Chemical Research. 39 (12), 945-952 (2006).</li>
<li>Waluk, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spectroscopy+and+tautomerization+studies+of+porphycenes%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Reviews%22%5BJournal%5D)">Spectroscopy and tautomerization studies of porphycenes.</a> Chemical Reviews. 117 (4), 2447-2480 (2017).</li>
<li>Kozlowski, P. M., Zgierski, M. Z., Baker, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+inner-hydrogen+migration+and+ground-state+structure+of+porphycene%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">The inner-hydrogen migration and ground-state structure of porphycene.</a> The Journal of Chemical Physics. 109 (14), 5905-5913 (1998).</li>
<li>Yoshikawa, T., Sugawara, S., Takayanagi, T., Shiga, M., Tachikawa, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Theoretical+study+on+the+mechanism+of+double+proton+transfer+in+porphycene+by+path-integral+molecular+dynamics+simulations%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Theoretical study on the mechanism of double proton transfer in porphycene by path-integral molecular dynamics simulations.</a> Chemical Physics Letters. 496 (1-3), 14-19 (2010).</li>
<li>Smedarchina, Z., Shibl, M. F., Kühn, O., Fernández-Ramos, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+tautomerization+dynamics+of+porphycene+and+its+isotopomers+-+concerted+versus+stepwise+mechanisms%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">The tautomerization dynamics of porphycene and its isotopomers - concerted versus stepwise mechanisms.</a> Chemical Physics Letters. 436 (4-6), 314-321 (2007).</li>
<li>Wolfsberg, M., Hook, W. A., Paneth, P., Rebelo, L. P. N. Isotope effects. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWolfsberg%2C+M+%22The+Chemical%2C+Geological%2C+and+Bio+Sciences%22">The Chemical, Geological, and Bio Sciences</a>. , Springer. Dordrecht. (2009).</li>
<li>Pietrzak, M., Shibl, M. F., Bröring, M., Kühn, O., Limbach, H. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((1H%2F2H+NMR+studies+of+geometric+H%2FD+isotope+effects+on+the+coupled+hydrogen+bonds+in+porphycene+derivatives%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">1H/2H NMR studies of geometric H/D isotope effects on the coupled hydrogen bonds in porphycene derivatives.</a> Journal of the American Chemical Society. 129 (2), 296-304 (2007).</li>
<li>Yoshikawa, T., Sugawara, S., Takayanagi, T., Shiga, M., Tachikawa, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantum+tautomerization+in+porphycene+and+its+isotopomers%3A+Path-integral+molecular+dynamics+simulations%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Quantum tautomerization in porphycene and its isotopomers: Path-integral molecular dynamics simulations.</a> Chemical Physics. 394 (1), 46-51 (2012).</li>
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<li>Dellago, C., Bolhuis, P. G., Csajka, F. S., Chandler, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transition+path+sampling+and+the+calculation+of+rate+constants%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Transition path sampling and the calculation of rate constants.</a> The Journal of Chemical Physics. 108 (5), 1964-1977 (1998).</li>
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<li>Torrie, G. M., Valleau, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nonphysical+sampling+distributions+in+monte+carlo+free-energy+estimation%3A+Umbrella+sampling%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Computational+Physics%22%5BJournal%5D)">Nonphysical sampling distributions in monte carlo free-energy estimation: Umbrella sampling.</a> Journal of Computational Physics. 23 (2), 187-199 (1977).</li>
<li>Kästner, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Umbrella+sampling%5BTitle%5D)+AND+%22Wiley+Interdisciplinary+Reviews%3A+Computational+Molecular+Science%22%5BJournal%5D)">Umbrella sampling.</a> Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science. 1 (6), 932-942 (2011).</li>
<li>Gao, Y. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+integrate-over-temperature+approach+for+enhanced+sampling%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">An integrate-over-temperature approach for enhanced sampling.</a> Journal of Chemical Physics. 128 (6), 064105(2008).</li>
<li>Yang, L., Gao, Y. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+selective+integrated+tempering+method%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">A selective integrated tempering method.</a> Journal of Chemical Physics. 131 (21), 214109(2009).</li>
<li>Yang, M., Yang, L., Gao, Y., Hu, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combine+umbrella+sampling+with+integrated+tempering+method+for+efficient+and+accurate+calculation+of+free+energy+changes+of+complex+energy+surface%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Combine umbrella sampling with integrated tempering method for efficient and accurate calculation of free energy changes of complex energy surface.</a> The Journal of Chemical Physics. 141 (4), 044108(2014).</li>
<li>Yang, Y. I., Zhang, J., Che, X., Yang, L., Gao, Y. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+sampling+over+rough+energy+landscapes+with+high+barriers%3A+A+combination+of+metadynamics+with+integrated+tempering+sampling%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Efficient sampling over rough energy landscapes with high barriers: A combination of metadynamics with integrated tempering sampling.</a> The Journal of Chemical Physics. 144 (9), 094105(2016).</li>
<li>Xie, L., Shen, L., Chen, Z. N., Yang, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+free+energy+calculations+by+combining+two+complementary+tempering+sampling+methods%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Efficient free energy calculations by combining two complementary tempering sampling methods.</a> The Journal of Chemical Physics. 146 (2), 024103(2017).</li>
<li>Xie, L., Cheng, H., Fang, D., Chen, Z. N., Yang, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+QM%2FMM+sampling+for+free+energy+calculation+of+chemical+reactions%3A+A+case+study+of+double+proton+transfer%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Enhanced QM/MM sampling for free energy calculation of chemical reactions: A case study of double proton transfer.</a> The Journal of Chemical Physics. 150 (4), 044111(2019).</li>
<li>Hu, X., Hu, H., Yang, W. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHu%2C+X+%22QM4D%3A+an+integrated+and+versatile+quantum+mechanical%2Fmolecular+mechanical+simulation+package+%28http%3A%2F%2Fwww.qm4d.info%2F%29%22">QM4D: an integrated and versatile quantum mechanical/molecular mechanical simulation package (http://www.qm4d.info/)</a>. , (2016).</li>
<li>Jorgensen, W. L., Chandrasekhar, J., Madura, J. D., Impey, R. W., Klein, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+simple+potential+functions+for+simulating+liquid+water%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Comparison of simple potential functions for simulating liquid water.</a> The Journal of Chemical Physics. 79 (2), 926-935 (1983).</li>
<li>Walewski, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scc-dftb+energy+barriers+for+single+and+double+proton+transfer+processes+in+the+model+molecular+systems+malonaldehyde+and+porphycene%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Quantum+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Scc-dftb energy barriers for single and double proton transfer processes in the model molecular systems malonaldehyde and porphycene.</a> International Journal of Quantum Chemistry. 106 (3), 636-640 (2006).</li>
<li>Bakowies, D., Thiel, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hybrid+models+for+combined+quantum+mechanical+and+molecular+mechanical+approaches%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Physical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Hybrid models for combined quantum mechanical and molecular mechanical approaches.</a> The Journal of Physical Chemistry. 100 (25), 10580-10594 (1996).</li>
<li>Hu, H., Yang, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+and+application+of+ab+initio+QM%2FMM+methods+for+mechanistic+simulation+of+reactions+in+solution+and+in+enzymes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Molecular+Structure%3A+THEOCHEM%22%5BJournal%5D)">Development and application of ab initio QM/MM methods for mechanistic simulation of reactions in solution and in enzymes.</a> Journal of Molecular Structure: THEOCHEM. 898 (1-3), 17-30 (2009).</li>
<li>Xie, L., Yang, M., Chen, Z. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Understanding+the+entropic+effect+in+chorismate+mutase+reaction+catalyzed+by+isochorismate-pyruvate+lyase+from+pseudomonas+aeruginosa+%28PchB%29%5BTitle%5D)+AND+%22Catalysis+Science%2C+Technology%22%5BJournal%5D)">Understanding the entropic effect in chorismate mutase reaction catalyzed by isochorismate-pyruvate lyase from pseudomonas aeruginosa (PchB).</a> Catalysis Science, Technology. 9 (4), 957-965 (2019).</li>
<li>Shibl, M. F., Pietrzak, M., Limbach, H. H., Kühn, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Geometric+H%2FD+isotope+effects+and+cooperativity+of+the+hydrogen+bonds+in+porphycene%5BTitle%5D)+AND+%22ChemPhysChem%22%5BJournal%5D)">Geometric H/D isotope effects and cooperativity of the hydrogen bonds in porphycene.</a> ChemPhysChem. 8 (2), 315-321 (2007).</li>
</ol>

저자는 공개 할 것이 없다.

포르피센의 구조는 도 1에나타내었도. SITS 방법을 이용한 정전기 임베딩 QM/MM 하이브리드 전위를 물23,24에서화학 반응을 기술하는데 사용되었다. 양성자 전달은 포르피센3 내에서 발생하므로 포르피센은 QM 영역으로 설정되고 상기물은 MM 영역으로 설정됩니다. 여기서 우리는 효율성과 정확도(22,25)의균형을 맞추어 포르피센을 치료하는 QM 방법으로 DFTB/MIO를 채택했다. 샘플링 향상 기술로서, SITS 시뮬레이션은 U s의 분포를 고에너지 영역으로 확대하고 그 동안 관심 있는 온도에서 에너지 영역 주위의 충분한 샘플링을 보존하는 것으로 나타났습니다. 현재의 경우,...

포르피세인의 양성자 전달 과정은 분자 스위치, 트랜지스터 및 정보 저장장치 개발에 잠재적인 응용 프로그램을 보유1,2. 특히, 이중 양성자 전달 과정을 통한 포피센의 타우토메화는 분광학 및 광물리학2분야에 큰 관심을 받고 있다. 포르피센의 내부 수소 원자는 도 1에 도시된 바와 같이 이중 양성자 전달 과정을 통해 다른 상응하는 트랜스 이소머로 하나의 트랜스 이소머로부터 마이그레이션될 수 있다. 이중 양성자 전달 과정에 대해 두 가지 메커니즘이 제안되었다:협연 및 단계적 메커니즘 3,4. 이중 양성자 전달 과정에서, 두 양성자 원자는 대칭방식으로 동기적으로 전환 상태로 이동하는 반면, 한 양성자들은 단계적 과정에서 다른 양성자 보다 더 많은 양상자 보다 전사를 완료한다. 2개의 수소 원자는 2개의 수소 원자5사이의 상관 강도에 따라 동시에 또는 단계적으로 전달될 수 있다.
동위원소 치환은 반응 역학의 분자 및 속도 상수의 구조적 특성을 검출하는 데 사용되어 왔다6. 포르피센의 내부 수소에서의 단일 중수소 치환은 분자의 비대칭 형상으로 이어집니다. 수소 결합은 수소와 중수소 원자 사이의 질량 차이로 인해 확장되거나 수축될 수 있습니다. 동위원소 치환은 포르피센의 스캐폴드에서 섭동을 도입한다. 문제는 비대칭 구조가 양성자 전달 과정에 영향을 미칠 지 여부가 발생합니다. Limbach와 동료들은 중수소로 수소를 교체하면 수소 결합을 압축할 수 있으며, 포르피센에 있는 두 개의수소 결합의 협력 결합은 공동 메커니즘 7을 선호할 수 있다고 보고했지만, 요시카와는 deuteration는 단계적 메커니즘이 협조된 메커니즘8보다더 많은 기여를 할 것입니다. 힘 분광법과 같은 실험 기술은 단일 포르피센 9에서 tautomerization 세부사항을 캡처하기 위해 개발되었습니다. 그러나, 그것의 일시적인 성격 때문에 양성자 전송의 원자 세부 사항을 실험적으로 결정하기 위하여 아직도 도전적입니다.
이론적 계산 및 시뮬레이션은 양성자 전달의 반응 메커니즘을 해명하는 보완 적 도구 역할을 할 수 있습니다. 다양한 이론적 방법 중에서 분자 역학(MD) 시뮬레이션은 각 원자의 동적 움직임을 모니터링할 수 있으며 화학 및 효소 반응의 복잡한 메커니즘을 밝히는 데 널리 사용되었습니다. 그러나 정기적인 MD 시뮬레이션은 특히 관심 있는 프로세스에 높은 에너지 장벽이 있는 경우 샘플링 문제가 부족한 경향이 있습니다. 따라서, 전이 경로 샘플링10,11,우산 샘플링(US)12,13,및 통합 템퍼링 샘플링(ITS)14, 15. 다른 향상된 샘플링 방법의 조합은 샘플링 효율16,17,18을더욱 증가시킬 수 있습니다. 화학 반응을 시뮬레이션할 때 향상된 샘플링 알고리즘을 활용하기 위해 최근19일양자 기계 및 분자 기계(QM/MM) 잠재력을 갖춘 선택적 통합 템퍼링 샘플링(SITS) 방법을 구현했습니다. 제안된 SITS-QM/MM 방법은 두 가지 방법의 장점을 결합합니다: SITS 방법은 샘플링을 가속화하고 반응 메커니즘에 대한 사전 지식 없이 가능한 모든 반응 채널을 탐색할 수 있으며, QM/MM은 보다 정확한 설명을 제공합니다. MM 메소드로만 시뮬레이션할 수 없는 본드 형성 및 본드 브레이킹 공정. 구현된 SITS-QM/MM 접근법은 반응 좌표19를미리 정의하지 않고 서로 다른 시스템에서 서로 다른 시스템에서 협연된 이중 양성자 전달, 상관관계가 없는 및 상관관계가 있는 이중 양성자 전달 메커니즘을 성공적으로 발견했습니다. 포르피센의 경우, 단계적이지만 상관관계가 있는 양성자 전사 문자는19로보고되었다. 하이브리드 SITS-QM/MM 방법은 당사의 연구에서 포르피센에서 동위원소 효과를 조사하는 데 사용되었으며, 아래는 당사의 방법의 알고리즘 및 프로토콜에 대한 자세한 설명입니다.
우리는 하이브리드 QM / MM 잠재력을 가진 SITS 방법을 구현했습니다. SITS의 유효 잠재력은 더 넓은 온도 범위를 커버하기 위해 가중치 계수 nk와 다른 온도에서 잠재적 인 에너지를 포함하도록 정의되었다,
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ01.jpg">
여기서 N은 표준 용어의 수이고, βk는 역온도이고, nk는 각 표준 성분에 대한 해당 가중치 요소입니다. UE (R) 및 UN(R)은 SITS에서 향상된 용어와 비강화 된 용어를 나타내며,
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ02.jpg">
U (미국) s, Use 및 Ue는 하위 시스템의 잠재적 에너지, 하위 시스템과 환경 간의 상호 작용 및 환경의 잠재적 에너지입니다. QM/MM 전위는 세 가지 구성 요소의 하이브리드 합계로 표현되며,
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ03.jpg">
여기서 Uqm, Uqm/mm및 Umm는 QM 서브시스템의 내부 에너지 용어, QM 및 MM 영역 간의 상호 작용 에너지, MM 서브시스템 내의 상호 작용 에너지입니다. Uqm/mm 항은 정전기, 반 데르 발스 및 QM과 MM 원자 사이의 공유 상호 작용 에너지 용어를 포함하는 세 가지 구성 요소로 더 나눌 수 있습니다.
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ04.jpg">
우리는 <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ05.jpg"> <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ06.jpg"> SITS에서 하나의 U s 용어에 할당하고,
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ07.jpg">
시스템의 전체 잠재력은 서브 시스템 U s의 에너지로 분해된 후, 서브시스템과 환경 간의 상호 작용 에너지 U se,및 환경 Ue의에너지. 예를 들어, 본 작업의 시스템에서, 하위 시스템은 포르피시, 그리고 환경 물이다.
집단 변수 θ(R)를따라 PMF 프로파일은,
<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ08.jpg">
N1의각 수소 전달에 대한 일반적으로 사용되는 반응 좌표 -H1··· N2는 q1 = (r1-r2)/2 및 q2 = r1 + R2이며,여기서1은 N1-H1의 거리이고 r2는 의 거리입니다. H1-N2.
이 방법은 QM/MM MD 시뮬레이션 패키지 QM4D20에구현되었습니다. 전체 소스 코드 및 설명서는 여기에서 찾을 수 있습니다: http://www.qm4d.info/.
일반적으로 SITS-QM/MM MD 시뮬레이션에는 사전 평형(사전 앉아 있음)의 네 단계가 포함됩니다. 최적화 nk (옵트-앉아); 생산 시뮬레이션 및 데이터 분석.

<table><tbody><tr><td>운영 체제</td><td>CentOS Linux 릴리스 6.0</td><td></td><td></td></tr><tr><td>QM4D 소프트웨어</td><td>http://www.qm4d.info/</td><td></td> <td>사내 프로그램</td></tr><tr><td>컴퓨터 데스크탑</td><td>HP</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

향상된 qm/mm 방법으로 조사된 포르피센의 이중 양성자 이송 과정에서 동위원소 효과

Isotopic Effect in Double Proton Transfer Process of Porphycene Investigated by Enhanced QM/MM Method

포르피센의 단일 중수소 치환은 비대칭 분자 기하학으로 이어지며, 이는 포르피센 분자에서 이중 양성자 전달 과정에 영향을 미칠 수 있다. 이 연구에서는 SITS-QM/MM이라는 향상된 QM/MM 방법을 적용하여 포르피센의 이중 양성자 전달에 대한 수소/중수소(H/D) 동위 원소 효과를 조사했습니다. SITS-QM/MM 분자 역학 시뮬레이션의 거리 변화는 중수소 치환 포르피센이 단계별 이중 양성자 전달 메커니즘을 채택했다는 것을 시사했다. 이중 양성자 전달 공정의 구조적 분석 및 자유 에너지 이동은 비대칭 동위원소 치환이 공유 수소 결합을 미묘하게 압축하고 원래의 전이 상태 위치를 변경할 수 있음을 나타냈다.

포르피센에서의 이중 양성자 전달 과정에 대한 단일 중수소 치환 효과를 현재프로토콜에서 조사하였다(도 1). 사전 평형 및 최적화 단계 동안 QM 서브 시스템 및 물의 잠재적 에너지가 더 넓은 에너지 범위로 확대되었는지확인하였다(그림 2). 대표적인 거리 및 각도 변화(도3 및 도4) 및 투영된 자유 에너지 변화(도 5)를 사용하여 기하학 및 양성자 전달 과정에 대한 중수소 치환 효과를 특성화하였다. 포르피센.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60040/60040fig01.jpg"><br...

포르피센에서 이중 양성자 전달 과정에 대한 동위원소 효과를 조사하기 위해 향상된 QM/MM 방법을 사용하는 프로토콜이 여기에 제시된다.

향상된 QM/MM 방법으로 조사된 포르피센의 이중 양성자 이송 과정에서 동위원소 효과

The single deuterium substitution in porphycene leads to an asymmetric molecular geometry, which may affect the double proton transfer process in the ...

향상된 QM/MM 메서드는 일반 QM/MM 시뮬레이션에서 간단한 문제를 극복합니다. 6개의 QM/MM 방법은 QM 영역에 대한 선택 어셈블리를 가속화하고, 화학 반응 경로를 캡처하여 반응 좌표를 정의할 수 있다. 이 프로토콜을 통해 이중 양성자 전달의 화학 반응 경로를 성공적으로 포착하고 물에서 입증된 전달 메커니즘에 대한 중음염 대체 효과를 공개했습니다.프로토콜은 할로겐 또는 약물 발견에서 열 식별에 우리의 중장 대체를 탐구하는 데 사용할 수 있습니다. 6개의 QM/MM 방법의 주요 장점은, 반응 메커니즘을 탐구할 때 염수 반응 좌표를 정의하거나 화학 반응 경로를 위한 장치를 소개할 필요가 없다는 것입니다. 반응에서 가능한 반응 경로를 식별할 수 있습니다.높은 수준의 QM 방법으로 사용되고 확장될 수 있는 방법은 용액에서 화학 반응에 대한 반응 메커니즘을 조사하는 중요한 도구가 될 수 있다. 이 절차를 시작하려면 런형을 100으로 설정하여 사전 설정을 시작, temp0을 300으로, 260으로 온도, 1300으로 시간조, 입력 파일에서 120, 000으로 단계. 그런 다음 여기에 표시된 대로 적절한 명령을 발행합니다.미리 설정된 단계에서 각 용어의 에너지를 모니터링하여 평균 값을 계산합니다. grep 리눅스 명령을 사용하여 에너지를 추출합니다. md 입력 파일의 평균 에너지를 수정하려면 이전 명령줄의 출력에 따라 평균 에너지를 계산하고 새로 생성된 평균으로 입력 파일의 V-shift 선을 수정합니다.최적화 단계를 시작하기 위해 명령을 입력하여 QM4D 프로그램에서 오프셋을 시작합니다. 다음으로, 에너지 전파를 유예 프로그램과 연결하고 에너지 변동이 온도 범위의 가장 낮은 끝과 가장 높은 끝을 커버할 수 있는지 확인합니다. 최적화 후 오프셋 단계의 최종 nk 값을 nk라는 새 파일에 저장합니다.이 프로토콜에서 dat. md 입력 파일을 준비하려면 runtype을 새 입력 파일의 하나로 설정하여 프로덕션 시뮬레이션 단계를 시작합니다. 저장된 nk 파일로 파일 이름을 nkfile nkfile로 지정합니다.입력 파일에 dat. 현재 시스템에서 시간 단계수가 6, 400, 000으로 설정되었습니다. 시뮬레이션 카운터는 시스템에 따라 달라지므로 특정 수요에 따라 시뮬레이션 통계를 변경합니다.자신의 시스템에 대해 다른 상태 간의 한계 전환에 사용할 적절한 시간 단계를 선택합니다. MD 시뮬레이션을 시작하는 적절한 명령을 실행하여 이러한 시뮬레이션에서 프로덕션을 초기화합니다. 생산 단계에서 결합 형성 및 파손 공정을 모니터링하려면 grep 명령을 사용하여 시뮬레이션 시간을 따라 H1N1 및 H1N2의 거리 변화를 확인합니다.H2N3 및 H2N4에서도 동일한 작업을 수행할 수 있습니다. 그런 다음 프로덕션 시뮬레이션 중에 누적된 거리 값을 사용하여 거리 전파를 연결합니다. grep 명령에 의해 QM4D에 의해 생성된 생산 출력 파일로부터 반응 좌표 및 에너지 용어를 추출한다.네 개의 열로 데이터를 구성하고 각 기간의 데이터 파일에 씁니다. 적절한 명령을 실행하여 자유 에너지를 계산합니다. 마지막으로, 2차원 풍경에 자유 에너지를 투영하려면 적절한 명령을 입력합니다.포르피센에서 이중 양성자 전달 과정에 대한 단일 중음제 치환 효과는 현재 의정서에서 검사되었다. QM 하위 시스템의 잠재적 에너지와 사전 평형 및 최적화 단계 중 의 물은 환경의 에너지에 영향을 주지 않고 QM 지역의 에너지가 더 넓은 에너지 범위로 확대되었는지 확인하기 위해 점검되었습니다. 대표적인 거리와 각도 변화, 투영된 자유 에너지 변화는 포르피센의 기하학 및 양성자 전달 과정에 대한 중투절 대체 효과를 특징짓는 데 사용되었다.6개의 QM/MM 방법은 에너지 공간에서 향상된 어셈블리를 달성합니다. 지정된 합병 범위는 확장된 에너지 분배를 달성해야 합니다. 이 방법은 전송할 수 있는 반응 채널의 상단을 캡처할 뿐만 아니라 반응 메커니즘으로 인한 표준 반응 상태에서 반응 제품을 식별할 가능성도 있습니다.이 프로토콜은 응축된 환경에서 화학 반응 메커니즘을 조사하기 위한 출발점역할을 한다. 더 높은 수준의 QM 메서드를 6개의 QM/MM 방법과 쉽게 결합하여 향후 보다 복잡한 시스템을 탐색할 수 있습니다.

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연구

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화학

이 비디오는 15개의 N-표지된 야생형 및 돌연변이 엔보플라킨 단백질과 표지되지 않은 비멘틴 단백질 사이의 단백질-단백질 상호 작용을 연구하기 위한 핵 자기 공명 분광법 기술에 대해 설명합니다. 야생형 엔보플라킨과 비멘틴 사이의 성공적인 상호 작용은 NMR 스펙트럼에서 광범위한 라인 확장과 피크 소멸로 이어지는 반면, 돌연변이된 엔보플라킨과 비멘틴 사이의 상호 작용이 없으면 NMR 스펙트럼에서 잘 분리된 피크를 초래합니다.

원자 수준의 단백질-단백질 상호 작용을 연구하기 위한 핵 자기 공명

단백질 기능의 주요 단계, 특히 골격 구조 변화와 양성자 전달 반응은 종종 마이크로초에서 밀리초 사이의 시간 척도에서 발생합니다. 이러한 역학 과정은 시간 분해 단계 스캔 푸리에 변환 적외선 분광법으로 연구할 수 있으며, 특히 빛에 의해 기능이 트리거되는 단백질의 경우 연구할 수 있습니다.

에 의해 감광성​​ 단백질의 양성자 이동과 단백질 입체 구조 역학 시간 분해 적외선 분광학에게 푸리에 변환 단계 - 스캔

원고는 레이저 제한 해상도와 광발광(PL) 분광법을 모두 통합하는 포논 보조 준공진 형광 분광법의 방법을 설명합니다. 이 방법은 광학 포논을 사용하여 에너지 영역에서 원자와 같은 반도체 구조의 선폭 제한 해상도 스펙트럼을 제공합니다. 이 방법은 또한 단일 분광계 광학 분광학 설정으로 쉽게 실현할 수 있습니다.

높은 해상도 포논 도움을 준 공명 형광 분광학

전자 상자성 공  명(EPR) 이미징을 사용하여 다공성 매질에서 게스트 분자의 확산을 현장에서 모니터링하기 위한 프로토콜이 제시됩니다.

전자 상자성 공명 영상을 이용하여 다공성 미디어에서 고객 분자의 확산의 제자리 모니터링에

선물이 초고속 진동 일관성 polyatomic 급진적인 양이온을 분자 분리를 프로 빙에 대 한 프로토콜.

Polyatomic 급진적인 양이온으로 강한 분야 단 열 이온화에 초고속 진동 일관성의 측정

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여기에서 우리는 폴리머 안정제를 사용하여 바닥 상태 및 과도 흡수 스펙트럼에서 현저하게 감소된 산란을 나타내는 금속-유기 프레임워크(MOF) 현탁액을 제조합니다. 이러한 MOF 서스펜션을 통해 프로토콜은 해석 가능한 데이터를 생성하기 위해 MOF를 분광법으로 특성화하는 다양한 지침을 제공합니다.

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디스코틱 지르코늄 인산염의 2차원 모델 재료가 개발되었습니다. 라멜라 구조를 가진 무기 결정은 열수, 환류 및 마이크로파 보조 방법에 의해 합성되었습니다. 유기 분자로 박리하면 층상 결정이 단층으로 전환될 수 있으며, 충분한 단층 농도에서 네마틱 액정상이 형성되었습니다.

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배우세요 향상된 QM/MM 방법을 사용하여 포르피센의 이중 양성자 이송 과정에서 중수소 치환 효과를 분석하는 계산 화학 프로토콜입니다. 이 방법은 약물 발견을 위한 반응 경로 탐색에 활용됩니다.

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