QM/MM法とマルチスケール法

QM/MM法は、化学的に活性な領域を量子力学的に記述し、それを古典的にモデル化された環境に埋め込むことで、酵素のような大規模な系における反応性研究を可能にする。

Definition

分子系の一部を量子化学的手法で、残りの部分を古典的な力場によって扱い、両者の間に明確な結合を設けるハイブリッドアプローチ。

Scope

系を量子領域と古典領域に分割する方法、加法的および減法的な結合スキーム、静電埋め込み、リンク原子または関連するアプローチによる共有結合境界の処理、そして電子的、原子論的、およびより粗いスケールを橋渡しするマルチスケールモデリングのより広範な概念を網羅する。

Core questions

• 系はどのように量子領域と古典領域に分割されるのか？
• 2つの領域はどのように結合され、静電埋め込みとは何か？
• QM/MM境界を横切る共有結合はどのように扱われるのか？
• 純粋な量子論的または純粋な古典論的アプローチと比較して、マルチスケール処理が好ましいのはどのような場合か？

Key theories

QM/MM分割

系を分割し、反応中心を量子力学的に扱い、バルク環境を古典的に扱うことで、量子法の精度と力場の適用範囲を組み合わせる。

静電埋め込み

古典領域の部分電荷を量子ハミルトニアンに含めることで、量子サブシステムがその環境を感じ、それに反応して分極するようにする。

Clinical relevance

QM/MM法は、酵素触媒、溶液中の反応、材料やナノ構造におけるプロセスなど、大規模で影響力のある環境に埋め込まれた局所的な領域で化学反応が起こる場合の標準的なツールである。

History

QM/MMのアイデアは、WarshelとLevittが1976年のリゾチームに関する研究で導入した。複雑な生体分子系へのその発展は、マルチスケールモデルに関する2013年のノーベル化学賞（Karplus、Levitt、Warshelに授与）に貢献した。

Key figures

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

Seminal works

• warshel1976
• senn2009

Frequently asked questions

なぜ系全体を量子力学的に扱わないのか？

量子法はサイズに対して急激に計算コストが増大するため、酵素全体や溶媒和系全体を明示的に扱うことは非現実的である。QM/MM法は、高価な処理を必要な小さな領域に限定する。

QM/MM計算における主な課題は何か？

特に共有結合を切断する場合に、領域間に明確で物理的に妥当な境界を定義すること、そして2つのレベルが首尾一貫して結合するように保証することが、中心的な方法論的課題である。