QM/MM- und Multiskalenmethoden

QM/MM-Methoden beschreiben eine chemisch aktive Region mit Quantenmechanik, während sie in eine klassisch modellierte Umgebung eingebettet ist, was Reaktivitätsstudien in Systemen von der Größe von Enzymen ermöglicht.

Definition

Ein hybrider Ansatz, bei dem ein Teil eines molekularen Systems mit einer quantenchemischen Methode und der Rest mit einem klassischen Kraftfeld behandelt wird, mit einer definierten Kopplung zwischen den beiden.

Scope

Umfasst die Aufteilung eines Systems in Quanten- und klassische Regionen, additive und subtraktive Kopplungsschemata, elektrostatische Einbettung, die Behandlung kovalenter Grenzen mit Link-Atomen oder verwandten Ansätzen sowie die umfassendere Idee der Multiskalenmodellierung, die elektronische, atomistische und gröbere Skalen überbrückt.

Core questions

• Wie wird ein System in Quanten- und klassische Regionen unterteilt?
• Wie werden die beiden Regionen gekoppelt, und was ist elektrostatische Einbettung?
• Wie wird eine kovalente Bindung behandelt, die die QM/MM-Grenze überschreitet?
• Wann ist eine Multiskalenbehandlung einer rein quantenmechanischen oder rein klassischen vorzuziehen?

Key theories

QM/MM-Partitionierung

Teilt das System so auf, dass der reaktive Kern quantenmechanisch und die Umgebung klassisch behandelt wird, wodurch die Genauigkeit von Quantenmethoden mit der Reichweite von Kraftfeldern kombiniert wird.

Elektrostatische Einbettung

Bezieht die Partialladungen der klassischen Region in den Quanten-Hamiltonian ein, sodass das Quanten-Subsystem seine Umgebung wahrnimmt und sich als Reaktion darauf polarisiert.

Clinical relevance

QM/MM ist das Standardwerkzeug zur Untersuchung von Enzymkatalyse, Reaktionen in Lösung und Prozessen in Materialien und Nanostrukturen, bei denen Chemie in einer lokalisierten Region stattfindet, die in eine große, einflussreiche Umgebung eingebettet ist.

History

Die QM/MM-Idee wurde von Warshel und Levitt in ihrer Studie über Lysozym aus dem Jahr 1976 eingeführt; ihre Entwicklung für komplexe biomolekulare Systeme trug zum Nobelpreis für Chemie 2013 bei, der an Karplus, Levitt und Warshel für Multiskalenmodelle verliehen wurde.

Key figures

• Arieh Warshel
• Michael Levitt
• Walter Thiel
• Hans Martin Senn

Seminal works

• warshel1976
• senn2009

Frequently asked questions

Warum nicht das gesamte System quantenmechanisch behandeln?

Quantenmethoden skalieren stark mit der Größe, sodass die explizite Behandlung eines gesamten Enzyms oder solvatierten Systems undurchführbar ist; QM/MM reserviert die aufwendige Behandlung für die kleine Region, in der sie benötigt wird.

Was ist die größte Herausforderung bei QM/MM-Berechnungen?

Die Definition einer sauberen, physikalisch fundierten Grenze zwischen Regionen, insbesondere wenn sie eine kovalente Bindung durchtrennt, und die Sicherstellung einer konsistenten Kopplung der beiden Ebenen sind die zentralen methodischen Schwierigkeiten.