福建物構(gòu)所多尺度復雜體系極小能量交叉點優(yōu)化程序最新進展入選美國化學會ACS Editors'?Choice
文章來源：福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所 | 發(fā)布時間：2024-05-09 | 【打印】 【關(guān)閉】
多態(tài)反應是一類廣泛存在于金屬酶催化、光化學弛豫、電子轉(zhuǎn)移等過程中的獨特化學反應。準確描述多態(tài)反應中的態(tài)與態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程，對理解闡釋相關(guān)化學反應機制至關(guān)重要。通過定位極小能量交叉點(minimum energy crossing point,MECP)，可以從能量和結(jié)構(gòu)的角度討論態(tài)與態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程。相比于難度高、計算代價昂貴的非絕熱分子動力學等方法，直接優(yōu)化MECP可以在不損失關(guān)鍵化學信息的前提下簡便地獲得反應途徑的能量和拓撲信息，是深入理解多態(tài)反應的一個重要工具。
現(xiàn)有的量化計算程序可較為廣泛地支持采用各類量子力學（QM）方法優(yōu)化MECP結(jié)構(gòu)，但對于生物、材料等復雜體系，全QM計算的代價一般無法接受，因而兼顧化學反應環(huán)境影響因素和計算精度效率的組合量子力學/分子力學（QM/MM）等多尺度計算方法成為了該領域的主要關(guān)注對象。目前尚沒有公開的量化計算程序能較好地實現(xiàn)在多尺度QM/MM級別下優(yōu)化MECP結(jié)構(gòu)，以滿足研究生物蛋白環(huán)境、溶液或材料的體相環(huán)境對MECP和多態(tài)反應影響的需求。為解決相關(guān)科學問題，中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所李春森課題組開發(fā)了能夠在多尺度體系QM/MM級別下優(yōu)化MECP結(jié)構(gòu)的XMECP程序，該工作以題目“XMECP: Reaching State-of-the-Art MECP Optimization in Multiscale Complex Systems”發(fā)表在理論計算化學的權(quán)威刊物Journal of Chemical Theory and Computation上，并入選ACS Editors’?Choice亮點文章，作為頭條新聞在美國化學會網(wǎng)站報道。
文章系統(tǒng)描述了MECP優(yōu)化的算法和注意事項，通過多個應用案例展示了如何使用XMECP研究復雜生物體系的多態(tài)反應。
（1）使用XMECP程序研究胞嘧啶-腺嘌呤堿基對的光致質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移反應，發(fā)現(xiàn)遠離反應中心的核苷酸殘基通過π-π堆積的非共價相互作用鏈對非絕熱耦合矩陣元產(chǎn)生貢獻，從而促進反應中心的非絕熱躍遷過程。
圖1.胞嘧啶-腺嘌呤堿基對光致質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移的機理，其中遠離活性中心的殘基沿著DNA中π-π堆積鏈對非絕熱耦合矩陣元產(chǎn)生貢獻，并隨距離衰減。
（2）在含鐵的2-氧代谷氨酸依賴雙加氧酶活化氧氣的機理研究中，使用XMECP程序可以計算定位到三重態(tài)-五重態(tài)交叉，描繪了靜息態(tài)的金屬酶活性中心結(jié)合三線態(tài)氧后演進到產(chǎn)物所在的五重態(tài)勢能面的多態(tài)反應圖景，同時發(fā)現(xiàn)距離活性中心較遠的不直接參與反應的精氨酸殘基通過兩組氫鍵作用對旋軌耦合矩陣元存在相對大的貢獻。
以上兩例結(jié)果表明，在復雜生物蛋白環(huán)境中，遠離生物酶活性中心的殘基可通過非共價相互作用鏈對非絕熱耦合或旋軌耦合矩陣元產(chǎn)生顯著貢獻，從而影響活性中心發(fā)生的非輻射躍遷過程。
圖2.含鐵的2-氧代谷氨酸依賴酶活化氧氣的機理，其中不直接參與反應的Arg383殘基通過兩組氫鍵對旋軌耦合矩陣元產(chǎn)生了顯著的貢獻，甚至高于活性中心的鐵氧物種。
（3）應用XMECP程序研究了不同電場強度對黃素蛋白光敏化機理的影響，結(jié)果表明黃素蛋白能在較大電場強度變化范圍內(nèi)保持功能穩(wěn)定，闡釋了廣泛存在于生物體內(nèi)的黃素蛋白雖然結(jié)構(gòu)各異，內(nèi)建電場對FMN或FAD輔因子作用不同，但其功能卻都相仿的可能原因。
XMECP在研究復雜多尺度體系（如生物酶、材料、聚合物等）的多態(tài)反應中具有重要的應用價值，尤其是為相關(guān)領域的研究工作者提供了簡單便捷的工作流程。開發(fā)者未來將進一步完善和發(fā)展XMECP程序的功能，以期更便捷、更精準地闡釋復雜多尺度體系中MECP及相關(guān)化學機制問題。
中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所碩士生徐嘉偉為論文的第一作者，張敏熠副研究員和李春森研究員為論文的共同通訊作者。該工作得到國家自然科學基金和福建省自然科學基金等項目的支持。
ACS Editors’?Choice?是美國化學會（ACS）通過其旗下90余本期刊的專業(yè)編輯評議挑選，每天在ACS網(wǎng)站在線發(fā)布一篇具有廣泛科學意義的同行評審新文章作為頭條推薦。按ACS在2023年發(fā)表6萬多篇論文數(shù)量計算，入選ACS Editors’?Choice的文章比例不到1%。
