Quantenklassische Hybridbeschreibung von Solvatisierungseffekten
Beschreibung
vor 9 Jahren
Eine aussagekräftige theoretische Beschreibung des Infrarot
(IR)-Schwingungsspektrums eines Biomoleküls in seiner nativen
Umgebung durch Molekulardynamik (MD)-Simulationen benötigt
hinreichend genaue Modelle sowohl für das Biomolekül, als auch für
das umgebende Lösungsmittel. Die quantenmechanische
Dichtefunktionaltheorie (DFT) stellt solche genauen Modelle zur
Verfügung, zieht aber hohen Rechenaufwand nach sich. Daher ist
dieser Ansatz nicht zur Simulation der MD ausgedehnter
Biomolekül-Lösungsmittel-Komplexe einsetzbar. Solche Systeme können
effizient mit polarisierbaren molekülmechanischen (PMM)
Kraftfeldern behandelt werden, die jedoch nicht die zur Berechnung
von IR-Spektren nötige Genauigkeit liefern. Einen Ausweg aus dem
skizzierten Dilemma bieten Hybridverfahren, die einen relevanten
Teil eines Simulationssystems mit DFT, und die ausgedehnte
Lösungsmittelumgebung mit einem (P)MM-Kraftfeld beschreiben. Im
Rahmen dieser Arbeit wird, ausgehend von einer DFT/MM-Hybridmethode
[Eichinger et al., J. Chem. Phys. 110, 10452-10467 (1999)], ein
genaues und hocheffizientes DFT/PMM-Rechenverfahren entwickelt, das
der wissenschaftlichen Ọ̈ffentlichkeit nun in Form des auf
Großrechnern einsetzbaren Programmpakets IPHIGENIE/CPMD zur
Verfügung steht. Die neue DFT/PMM-Methode fußt auf der optimalen
Integration des DFT-Fragments in die "schnelle strukturadaptierte
Multipolmethode" (SAMM) zur effizienten approximativen Berechnung
der Wechselwirkungen zwischen den mit gitterbasierter DFT bzw. mit
PMM beschriebenen Subsystemen. Dies erlaubt stabile Hamilton'sche
MD-Simulationen sowie die Steigerung der Performanz (d.h. dem
Produkt aus Genauigkeit und Recheneffizienz) um mehr als eine
Größenordnung. Die eingeführte explizite Modellierung der
elektronischen Polarisierbarkeit im PMM-Subsystem durch
induzierbare Gauß'sche Dipole ermöglicht die Verwendung wesentlich
genauerer PMM-Lösungsmittelmodelle. Ein effizientes Abtastens von
Peptidkonformationen mit DFT/ PMM-MD kann mit einer generalisierten
Ensemblemethode erfolgen. Durch die Entwicklung eines Gauß'schen
polarisierbaren Sechspunktmodells (GP6P) für Wasser und die
Parametrisierung der Modellpotentiale für van der
Waals-Wechselwirkungen zwischen GP6P-Molekülen und der Amidgruppe
(AG) von N-Methyl-Acetamid (NMA) wird ein DFT/PMM-Modell für
(Poly-)Peptide und Proteine in wässriger Lösung konstruiert. Das
neue GP6P-Modell kann die Eigenschaften von flüssigem Wasser mit
guter Qualität beschreiben. Ferner können die mit DFT/PMM-MD
berechneten IR-Spektren eines in GP6P gelösten DFT-Modells von NMA
die experimentelle Evidenz mit hervorragender Genauigkeit
reproduzieren. Somit ist nun ein hocheffizientes und ausgereiftes
DFT/PMM-MD-Verfahren zur genauen Berechnung der
Konformationslandschaften und IR-Schwingungsspektren von in Wasser
gelösten Proteinen verfügbar.
(IR)-Schwingungsspektrums eines Biomoleküls in seiner nativen
Umgebung durch Molekulardynamik (MD)-Simulationen benötigt
hinreichend genaue Modelle sowohl für das Biomolekül, als auch für
das umgebende Lösungsmittel. Die quantenmechanische
Dichtefunktionaltheorie (DFT) stellt solche genauen Modelle zur
Verfügung, zieht aber hohen Rechenaufwand nach sich. Daher ist
dieser Ansatz nicht zur Simulation der MD ausgedehnter
Biomolekül-Lösungsmittel-Komplexe einsetzbar. Solche Systeme können
effizient mit polarisierbaren molekülmechanischen (PMM)
Kraftfeldern behandelt werden, die jedoch nicht die zur Berechnung
von IR-Spektren nötige Genauigkeit liefern. Einen Ausweg aus dem
skizzierten Dilemma bieten Hybridverfahren, die einen relevanten
Teil eines Simulationssystems mit DFT, und die ausgedehnte
Lösungsmittelumgebung mit einem (P)MM-Kraftfeld beschreiben. Im
Rahmen dieser Arbeit wird, ausgehend von einer DFT/MM-Hybridmethode
[Eichinger et al., J. Chem. Phys. 110, 10452-10467 (1999)], ein
genaues und hocheffizientes DFT/PMM-Rechenverfahren entwickelt, das
der wissenschaftlichen Ọ̈ffentlichkeit nun in Form des auf
Großrechnern einsetzbaren Programmpakets IPHIGENIE/CPMD zur
Verfügung steht. Die neue DFT/PMM-Methode fußt auf der optimalen
Integration des DFT-Fragments in die "schnelle strukturadaptierte
Multipolmethode" (SAMM) zur effizienten approximativen Berechnung
der Wechselwirkungen zwischen den mit gitterbasierter DFT bzw. mit
PMM beschriebenen Subsystemen. Dies erlaubt stabile Hamilton'sche
MD-Simulationen sowie die Steigerung der Performanz (d.h. dem
Produkt aus Genauigkeit und Recheneffizienz) um mehr als eine
Größenordnung. Die eingeführte explizite Modellierung der
elektronischen Polarisierbarkeit im PMM-Subsystem durch
induzierbare Gauß'sche Dipole ermöglicht die Verwendung wesentlich
genauerer PMM-Lösungsmittelmodelle. Ein effizientes Abtastens von
Peptidkonformationen mit DFT/ PMM-MD kann mit einer generalisierten
Ensemblemethode erfolgen. Durch die Entwicklung eines Gauß'schen
polarisierbaren Sechspunktmodells (GP6P) für Wasser und die
Parametrisierung der Modellpotentiale für van der
Waals-Wechselwirkungen zwischen GP6P-Molekülen und der Amidgruppe
(AG) von N-Methyl-Acetamid (NMA) wird ein DFT/PMM-Modell für
(Poly-)Peptide und Proteine in wässriger Lösung konstruiert. Das
neue GP6P-Modell kann die Eigenschaften von flüssigem Wasser mit
guter Qualität beschreiben. Ferner können die mit DFT/PMM-MD
berechneten IR-Spektren eines in GP6P gelösten DFT-Modells von NMA
die experimentelle Evidenz mit hervorragender Genauigkeit
reproduzieren. Somit ist nun ein hocheffizientes und ausgereiftes
DFT/PMM-MD-Verfahren zur genauen Berechnung der
Konformationslandschaften und IR-Schwingungsspektren von in Wasser
gelösten Proteinen verfügbar.
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