QM/MM และระเบียบวิธีแบบหลายสเกล

ระเบียบวิธี QM/MM อธิบายบริเวณที่มีปฏิกิริยาเคมีด้วยกลศาสตร์ควอนตัม ในขณะที่ฝังอยู่ในสภาพแวดล้อมที่จำลองแบบคลาสสิก ทำให้สามารถศึกษาปฏิกิริยาในระบบที่มีขนาดใหญ่เท่าเอนไซม์ได้

Definition

แนวทางแบบผสมผสานที่ส่วนหนึ่งของระบบโมเลกุลได้รับการบำบัดด้วยระเบียบวิธีเคมีควอนตัม และส่วนที่เหลือด้วยสนามแรงแบบคลาสสิก โดยมีการเชื่อมต่อที่กำหนดไว้ระหว่างทั้งสอง

Scope

ครอบคลุมการแบ่งส่วนระบบออกเป็นบริเวณควอนตัมและคลาสสิก, แผนการเชื่อมต่อแบบบวกและแบบลบ, การฝังตัวทางไฟฟ้าสถิต, การจัดการกับขอบเขตพันธะโควาเลนต์ด้วยอะตอมเชื่อมโยงหรือแนวทางที่เกี่ยวข้อง, และแนวคิดที่กว้างขึ้นของการสร้างแบบจำลองหลายสเกลที่เชื่อมโยงสเกลอิเล็กทรอนิกส์, อะตอม, และสเกลที่หยาบกว่า

Core questions

• ระบบถูกแบ่งออกเป็นบริเวณควอนตัมและคลาสสิกได้อย่างไร?
• บริเวณทั้งสองเชื่อมต่อกันอย่างไร และการฝังตัวทางไฟฟ้าสถิตคืออะไร?
• พันธะโควาเลนต์ที่ข้ามขอบเขต QM/MM ได้รับการจัดการอย่างไร?
• เมื่อใดที่การบำบัดแบบหลายสเกลดีกว่าการบำบัดแบบควอนตัมล้วนๆ หรือแบบคลาสสิกล้วนๆ?

Key theories

การแบ่งส่วน QM/MM

แบ่งระบบเพื่อให้แกนกลางที่มีปฏิกิริยาได้รับการบำบัดด้วยกลศาสตร์ควอนตัม และสภาพแวดล้อมโดยรวมได้รับการบำบัดแบบคลาสสิก โดยรวมความแม่นยำของระเบียบวิธีควอนตัมเข้ากับขอบเขตของสนามแรง

การฝังตัวทางไฟฟ้าสถิต

รวมประจุบางส่วนของบริเวณคลาสสิกไว้ในแฮมิลโทเนียนควอนตัม เพื่อให้ระบบย่อยควอนตัมรับรู้และเกิดโพลาไรซ์เพื่อตอบสนองต่อสภาพแวดล้อม

Clinical relevance

QM/MM เป็นเครื่องมือมาตรฐานสำหรับการศึกษาการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์, ปฏิกิริยาในสารละลาย, และกระบวนการในวัสดุและโครงสร้างนาโน ซึ่งเคมีเกิดขึ้นในบริเวณที่จำกัดซึ่งฝังอยู่ในสภาพแวดล้อมขนาดใหญ่ที่มีอิทธิพล

History

แนวคิด QM/MM ได้รับการนำเสนอโดย Warshel และ Levitt ในการศึกษาไลโซไซม์ของพวกเขาในปี 1976; การพัฒนาสำหรับระบบชีวโมเลกุลที่ซับซ้อนมีส่วนทำให้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 2013 ซึ่งมอบให้กับ Karplus, Levitt และ Warshel สำหรับแบบจำลองหลายสเกล

Key figures

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

Seminal works

• warshel1976
• senn2009

Frequently asked questions

เหตุใดจึงไม่บำบัดระบบทั้งหมดด้วยกลศาสตร์ควอนตัม?

ระเบียบวิธีควอนตัมมีสเกลที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตามขนาด ดังนั้นการบำบัดเอนไซม์ทั้งหมดหรือระบบที่ละลายอย่างชัดเจนจึงไม่สามารถทำได้; QM/MM สงวนการบำบัดที่มีค่าใช้จ่ายสูงไว้สำหรับบริเวณเล็กๆ ที่จำเป็นเท่านั้น

ความท้าทายหลักในการคำนวณ QM/MM คืออะไร?

การกำหนดขอบเขตที่ชัดเจนและถูกต้องทางกายภาพระหว่างบริเวณต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีการตัดพันธะโควาเลนต์ และการทำให้แน่ใจว่าทั้งสองระดับเชื่อมต่อกันอย่างสอดคล้องกัน เป็นความยากลำบากทางระเบียบวิธีที่สำคัญ