Строение и динамика атомно-молекулярных системНИР

The structure and dynamics of atomic-molecular system

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Строение и динамика атомно-молекулярных систем, этап 2021 г
Результаты этапа: В результате проведенных исследований получены следующие основные результаты. Для белка rsEGFP2 методами квантовой химии и комбинированным методом квантовой механики / молекулярной механики показано, что и флуоресцентное, и неактивное состояния белка rsEGFP2 характеризуются совокупностью структур с близкими энергиями в пределах 2-3 ккал/моль. Разработаны новые, наиболее точные спектральные модели, используемые для диагностики высоко нагретых газов, основанные на комбинированном использовании результатов квантово-химических расчетов и спектроскопических экспериментальных данных в рамках оптимизационной процедуры с учетов внутримолекулярных взаимодействий. Синтезирован образец циклобутанкарбальдегида и измерен его электронно-колебательный спектр поглощения в газовой фазе при комнатной температуре в кювете с оптическим ходом до 100 м, а также проведены расчеты методами квантовой химии для его интерпретации. Проведены расчёты для замещенных тетратиофульваленов, в которых моделируются константы скорости неадиабатических переходов между электронными состояниями, а именно, переходов между возбужденными состояниями и их релаксацией в основное электронное состояние. Эти расчеты основаны не только на использовании стандартных квантово-химических пакетов, но также проводятся с модифированными кодами исходных программ. Проведено моделирование адсорбции C8H17O, на наночастицах, содержащих атомы серебра и золота и показано, что атом серебра, входящий в состав кластера, более активный, чем золото в рассмотренных нейтральных биметаллических кластерах. Послойное упорядочение металлов в биметаллическом кластере способствует адсорбции спирта, в отличие от организации кластеров со случайным распределением металлов. Показано, что высокая устойчивость семихинонового радикала спиновой ловушки тайрон, позволяющая использовать эту ловушку в качестве индикатора образования активных форм кислорода, обусловлена высоким отрицательным зарядом этого радикала в воде, а экспериментально наблюдаемые изменения спектров ЭПР этих радикалов в морской воде объяснены образованием ионных пар с ионами магния. Достигнут значительный прогресс в новой теоретической области моделирования сложных колебательно-вращательных спектров – ресуммирование расходящихся рядов теории возмущений Релея-Шредингера. Получены новые результаты по механизмам работы фотоактивируемых ферментов, включая циклизацию аденозинтрифоасфата бактериальной аденилатциклазой и ферментативное фотодекарбоксилирование жирных кислот с образованием длинноцепочечных углеводородов.
2 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Строение и динамика атомно-молекулярных систем, этап 2022 г
Результаты этапа: -
3 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Строение и динамика атомно-молекулярных систем, этап 2023 г
Результаты этапа: За 2023 год были получены следующие результаты, которые можно сгруппировать по исследуемым объектам и подходам. 1. В области разработки новых подходов к прецизионным расчетам молекулярных спектров были продолжены исследования в области применения операторно-канонической теории возмущений (CPT), которая является эффективным инструментом для решения молекулярного колебательно-вращательного уравнения Шрёдингера. Соответствующий гамильтониан Ватсона был представлены в виде лестничных операторов углового момент, обладающих коммутационными соотношениями алгебры Ли su(2). Приведенные эффективные гамильтонианы, подходящие для аппроксимации наблюдаемых спектрам, традиционно основаны на эрмитовых базисных наборах. В рамках проделанной работы представление гамильтониана было преобразовано в суммы нормально упорядоченных произведений лестничных операторов, что позволило в ряде случаев свести унитарные преобразования сводятся к проблеме нормального упорядочения. Аналогично дипольный момент перехода можно оценить с помощью функций Вигнера, обладающих сложными коммутационными соотношениями с операторами углового момента. Соответствующие силы линий пропорциональны квадратам матричных элементов унитарного преобразованного оператора дипольного момента, заданного полиномом от нормально упорядоченных произведений. После применения техники комбинаторных вычислений, связанную с классической теорией представлений, были получены компактные формулы для нормального упорядочения типичных произведений. Теория универсальных обертывающих алгебр Ли и теория представлений показывают, что полученные формулы не могут быть улучшены с математической точки зрения. Результаты имеют широкую область применения в других областях физики, включая другие операторы с такими же коммутационными свойствами. Полученные выражения для нормального порядка и процедуры оценки элементов матрицы, а также систематические проверки рабочих формул были закодированы на Фортране. 2. В области исследования прецизионных спектров небольших молекулярных структур было проведено несколько исследований. Исследование структуры и конформационной динамики молекулы циклобутанкарбоксальдегида в основном электронном состоянии проведено различными квантово-химическими методами. Исследована геометрическая структура различных конформеров и изучена топография поверхностей потенциальной энергии в области низких энергий. Подробно описаны четыре низкочастотных молекулярных колебания, такие как симметричный изгиб кольца CHO, сморщивание кольца, антисимметричный изгиб кольца CHO и кручение. Применение ангармонического подхода, основанного на вариационном принципе, позволяет прогнозировать энергии колебательных переходов и качественно оценивать сложность форм изучаемых колебаний. Было показано, что квантово-химические расчеты MP2/def2-TZVPP вполне удовлетворительно описывают конформационное поведение молекулы CBCA. Более строгие расчеты с использованием метода CCSD(T) и процедуры VFPA лишь уточняют полученные результаты, не меняя качественных выводов. Полученные данные о строении молекулярной поверхности потенциальной энергии позволяют предположить сложный характер конформационной динамики этой молекулы даже при переходах на более низкие колебательные уровни: пути минимальной энергии могут иметь выраженную кривизну или изломы; на форму колебаний может существенно влиять поведение кинетической энергии молекулы. Столь сложная природа низколежащих колебательных состояний приводить к серьезным и неконтролируемым ошибкам в интерпретации экспериментальных данных колебательной и вибронной спектроскопии. Таже были получены результаты ангармонических расчетов низкочастотных колебаний молекул альдегидов, содержащих трехчленный цикл с р-связью. Проведено теоретическое исследование конформационного поведения и геометрической структуры двух родственных молекул, построены и проанализированы сечения поверхности потенциальной энергии вдоль близких по частоте координат внутреннего вращения и колебания с выходом из плоскости. Особое вниманием было уделено возможности кинематической связи этих двух колебаний и сложность их формы. Исследование двух модельных систем, содержащих трехчленные циклы с р-связью, показало, что кинематическая связь между вращением формильной группы и ее низкочастотным колебанием той же симметрии зависит от взаимной ориентации формильной группы и цикла. Когда формильный атом углерода лежит в плоскости цикла, эта связь слабая. При выходе формильного атома углерода из плоскости цикла эта связь может быть существенной и определяется рассматриваемым конформером. Эти результаты еще раз демонстрируют острую необходимость более детального изучения формы колебаний в ангармонических моделях хотя бы ограниченной размерности и возможные ошибки при решении одномерных колебательных обратных задач при экспериментальных исследованиях таких систем. Также было проведено сравнение методов, применяемых при изучении внутреннего вращения (ВВ) в основном (S0) и возбужденном (S1) электронных состояниях в ряду α,β-ненасыщенных карбонильных соединений: R4R3C= CR2–COR1, где R1 = H, R1 = F, R1 = CI; R2= H, R2= CH3, R2= F; R3 = R4 = H = CH3. Выявлены различия в значениях (0-v)-переходов крутильного колебания для s-транс- и s-цисизомеров для некоторых исследуемых соединений в методах анализа колебательной структуры n-π*-перехода УФ-спектров поглощения высокого разрешения и ИК-Фурье-спектров, применяемых при изучении ВВ в S0-электронном состоянии. Установлены причины таких различий. Показано, что в состоянии S0 более надежное определение значений (0-v)-переходов крутильного колебания обеих изомерных форм молекул получено в методе анализа колебательной структуры n-π*- перехода УФ-спектров поглощения. Предложено новое отнесение для переходов крутильного колебания s-транс-изомера акролеина в спектре метода полостной кольцевой спектроскопии (CRDS) в возбужденном S1-состоянии. Cделан вывод о том, что метод анализа колебательной структуры n-π*-перехода УФ-спектров поглощения высокого разрешения паров исследуемых соединений является более надежным и точным при изучении ВВ в обоих электронных состояниях Поскольку функционализация крупных ароматических соединений и биомолекул с помощью оптических циклических центров (ОЦЦ) представляет значительный интерес для проектирования и создания молекул с высокоселективным оптическим фотоответом. Как внутреннюю, так и внешнюю динамику в таких молекулах можно точно контролировать с помощью лазеров, что обеспечивает их эффективное охлаждение и открывает широкие перспективы для высокоточной спектроскопии, ультрахолодной химии, разделения энантиомеров и других областей. Способ связи ОЦЦ с молекулярным лигандом имеет решающее значение для оптических свойств ОЦЦ, прежде всего, для степени замыкания петли оптического циклирования. При выполнении работы по госбюджетной теме был представлен новый тип функционализированного молекулярного катиона, в котором положительно заряженный ОЦЦ связан с различными органическими цвиттер-ионами с особенно высоким постоянным дипольным моментом. Были рассмотрены комплексы стронция(I) с бетаином и другими цвиттер-ионными лигандами и показана возможность создания эффективного и высокозамкнутого заселенного цикла дипольно-разрешенных оптических переходов в таких комплексах. Было исследовано соотношение высот потенциальных барьеров внутреннего вращения молекулы бензальдегида, рассчитанное квантовомеханическими методами и определенное экспериментально по УФ-спектрам. На основе совместного анализа результатов ab initio MP2/6-311G** расчетов нормальных колебаний бензальдегида в основном состоянии и результатов интерпретации наблюдаемых УФ-спектров соединения были рассмотрены возможные аппроксимации для корректного описания затрудненного внутреннего вращения альдегидной группы. Установлено, что двумерная модель, включающая кинематическое взаимодействие между кручением и неплоской деформацией альдегидной группы, более эффективна для правильного описания затрудненного вращения в бензальдегиде. 3. Наибольшее внимание было изучено исследованию больших белковых структур, результаты по которым также можно сгруппировать в две большие темы. 3.1. Исследование фотодинамических и других процессов электронного возбуждения из первых принципов. Фотоокисление фенолята является неотъемлемой частью ряда биологических процессов, однако механизм выброса электронов остается спорным. Используя данные фемтосекундной спектроскопии переходного поглощения, жидкостной микроструйной фотоэлектронной спектроскопии, при помощи квантовохимических расчетов была исследована динамика фотоокисления водного фенолята после возбуждения в диапазоне длин волн от начала полосы поглощения S0 – S1 до пика полосы S0–S2. Было обнаружено, что при λ ≥ 266 нм происходит выброс электрона из состояния S1 в континуум, связанный с контактной парой, в которой радикал PhO находится в основном электронном состоянии. При для λ ≤ 257 нм выброс электрона также происходит в континуум, связанный с состояниями, содержащими электронно-возбужденные радикалы PhO. Эти состояния имеют более быстрое время рекомбинации, чем в случае основного электронного состояния. Было проведено компьютерное исследование механизма светоиндуцированной химической реакции гидратации хромофора во флуоресцентном белке Dreiklang, ответственной за его переключение из флуоресцентного ON-состояния в темновое OFF-состояние. Была рассчитана и изучена топология рельефа поверхности потенциальной энергии возбужденного состояния с переносом заряда в включенном состоянии, чтобы определить точки конического пересечения с минимальной энергией и поверхностью энергии основного состояния. Моделирование дальнейшей эволюции модельных систем позволило охарактеризовать промежуточный продукт реакции в основном состоянии, предварительно предложенный в фемтосекундных исследованиях светоиндуцированной динамики в белке Dreiklang, и получить продукт реакции. Полученные результаты уточняют предложенные механизмы фотопереключения в исследуемой системе, которая обусловлена химической модификацией хромофора. Следующим объектом исследования являлся mRubyFT — мономерный генетически кодируемый флуоресцентный таймер на основе флуоресцентного белка mRuby2, для которого характерно получение синей формы с последующим преобразованием в красную. Он имеет более высокую яркость в клетках млекопитающих и более высокую фотостабильность по сравнению с другими флуоресцентными таймерами. Структура высокого разрешения является известной характеристикой mRubyFT с хромофором красной формы, но структурные детали его синей формы остаются неясными. Чтобы понять ее, был изучен вариант S148I mRubyFT (mRubyFTS148I) с блокированной с течением времени синей формой хромофора. Рентгеновские данные с разрешением 1,8 Å позволили предположить конформацию хромофора и его взаимодействие с соседними остатками. Имидазолидиноновая часть хромофора представляет собой сопряженную π-систему. Метиновый мостик не окисляется в синюю форму, что обеспечивает гибкость фенольного фрагмента, что, в свою очередь, обуславливает плохое качество рентгеновских данных в этой области. Совместная интерпретация полученных данных с результатами молекулярно-динамического моделирования показала, что ОН-группа фенольного фрагмента образует водородную связь с боковой цепью остатка Т163. Детальное сравнение mRubyFTS148I с другими доступными структурами синей формы флуоресцентных белков Blue102 и mTagBFP выявило ряд характерных отличий. Молекулярно-динамическое моделирование с использованием комбинированного квантово-механического/молекулярно-механического потенциалов продемонстрировало, что синяя форма существует в двух протонированных состояниях, анионе и цвиттер-ионе, причем оба имеют общие енолятные таутомерные формы фрагмента C=C-O-. Был показано в результате квантово-химических расчетов, что эти две формы имеют схожие энергии возбуждения. Молекулярно-динамическое моделирование возбужденного состояния показало, что возбуждение хромофора в обоих состояниях протонирования приводит к одному и тому же анионному флуоресцентному состоянию. Полученные данные позволили объяснить структурные особенности и спектральные свойства синей формы таймера mRubyFT. Улавливатели синего света с использованием флавиновых (BLUF) доменов представляет собой семейство флавинсвязывающих фоторецепторов бактерий и эукариотических водорослей. Фотоактивация BLUF происходит посредством управляемого светом переключения водородных связей между флавинадениндинуклеотидом (FAD) и боковыми цепями глутамина и тирозина, в результате чего FAD подвергается переносу электронов и протонов с тирозином и впоследствии повторно окисляется за счет обратного переноса водорода за пикосекунды, и представляет собой важную модельную систему для понимания электрон-протонного переноса в биологии. Специфическое строение структуры водородных связей и преобладание таутомерных состояний глутамина в состояниях, адаптированных к темноте (DA) и активированных светом (LA), остаются спорными. В рамках работы было проведено комбинированное исследование, которое использовало экспериментальные данные по фемтосекундной стимулированной рамановской спектроскопии (FSRS), вычислительной химии и сайт-селективного мечения изотопов инфракрасной спектроскопией с преобразованием Фурье (FTIR) домена Slr1694 BLUF. FSRS показал отчетливые колебательные полосы синглетного возбужденного состояния FADS1. В результате исследования наблюдались небольшие, но значительные сдвиги в частотных характеристиках возбужденных состояний состояний DA и LA, что указывает на то, что эти частоты представляют собой чувствительный зонд для определения расположения водородных связей вокруг FAD. Расчеты модели возбужденного состояния с использованием четырех различных реализаций структуры водородных связей и таутомерных состояний глутамина согласуются с моделью реакции BLUF, которая включает таутомеризацию глутамина в имидовую кислоту, сопровождаемую вращением его боковой цепи. Комбинированное исследование FTIR и двойного изотопного мечения с мечением 13C FAD и мечением 15N глутамина выявило эластичное колебание C=N глутаминимидовой кислоты в состоянии LA и Gln C=O в состоянии DA. В результате проведенного исследования была подтверждена таутомеризация глютамина и вращение боковой цепи в фотореакции BLUF. Была предложена методика расчета энергии вертикального срыва электрона (VDE) и энергии вертикальной ионизации (VIE) анионных и нейтральных хромофоров в водном окружении на основе расширенной многоконфигурационной квазивырожденной теории возмущений в сочетании с явным учетом влияния растворителя в рамках метода потенциалов эффективных фрагментов. В результате исследований показана важность учета поляризационного вклада растворителя для получения количественных оценок VDE и VIE. Полученные значения VDE для фенолята (7.3 эВ) и VIE для фенола (7.9 эВ) в водном окружении находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными, полученными с помощью рентгеновской и многофотонной УФ-фотоэлектронной спектроскопии, что позволяет использовать предложенный подход для изучения процессов фотоиндуцированного переноса электрона как с анионных, так и нейтральных биологических хромофоров в водном растворе. Установлено, что поляризационный вклад растворителя в энергию вертикального срыва электрона достигает 0.4 эВ, что составляет 8% от общего сольватного сдвига энергии VDE в растворе по сравнению с газовой фазой. Рассчитанное значение энергии вертикального срыва электрона с фенолят-аниона в водном окружении c учетом поляризационной поправки составляет 7.3 ± 0.1 эВ, что хорошо согласуется с экспериментальными данными рентгеновской и многофотонной УФ-фотоэлектронной спектроскопии. Разработанный метод был также использован для оценки энергии вертикальной ионизации фенола в водном окружении. Показано, что поляризационный вклад растворителя в данном случае достигает 60% от общего сольватного сдвига. Рассчитанное значение VIE c учетом поляризационной поправки (–0.39 эВ) составило 7.9 эВ, что хорошо согласуется с экспериментальными данными. Таким образом, разработанный подход применим для исследования фотоиндуцированных процессов ионизации и срыва электрона как в случае анионных, так и нейтральных молекулярных систем в водном окружении. Поиск флуоресцентных белков с большими сечениями двухфотонного поглощения (TPA) и повышенной яркостью необходим для их эффективного использования в биовизуализации. В рамках работ по госбюджетной теме было исследовано влияние одноточечной мутации, близкой к анионной форме хромофора GFP, на его активность TPA. Был рассмотрен наиболее низкоэнергетический переход EGFP и его модификацию EGFP T203I. Основной акцент исследования был сделан на методологии получения надежных сечений TPA для мутированных белков, основанной на конформационной выборке с использованием расчетов молекулярной динамики и высокоуровневом подходе QM/MM на основе XMCQDPT2. Также особое внимание было уделено изучению численную сходимость формализма суммы по состояниям, что позволило получить явное доказательство применимости двухуровневой модели для расчета сечений TPA в EGFP. Было обнаружено, что рассчитанные значения очень чувствительны к изменениям постоянных дипольных моментов между основным и возбужденным состояниями и легко перенастраиваются внутренним электрическим полем белкового окружения. Показано, что в случае хромофорного аниона GFP даже одна водородная связь способна резко увеличить сечение TPA. Столь высокая возможность настройки нелинейных фотофизических свойств хромофорных анионов может быть использована для направленного создания более ярких флуоресцентных белков для биовизуализации с использованием двухфотонной лазерной сканирующей микроскопии. С использованием данных спектроскопии с временным разрешением криогенно охлажденных молекулярных ионов с временным разрешением было получено значительное колебательного разрешения в фотоответе хромофора депротонированного зеленого флуоресцентного белка (GFP), ключевой молекулярной единицы в биовизуализации живых клеток. В рамках работы по данной теме на основании квантово-химических расчетов было выделено четыре характерные спектральные области полосы S0–S1 с конкурирующими электронными и ядерными каналами распада. Было найдено, что энергетический барьер внутренней конверсии составляет ~250 см–1. Это ингибирует внутреннюю конверсию и, следовательно, статистическую фрагментацию вблизи начала полосы S0–S1, которая обнаружена при 481,51 ± 0,15 нм (20768 ± 6 см–1). Начало полосы смещено в красную сторону всего на 221 см–1 по сравнению с источником GFP дикого типа при 77 К. Это, вместе с согласием между вибронными профилями белка и его хромофора, предполагает их сходную фотофизику. В сочетании с теорией данные показывают сосуществование механизмов взаимного обмена энергией между ядрами и электронами, посредством определенных колебательных мод. Была разработана новая методологию расчета энергии вертикального отрыва электронов (VDE) биологически значимых хромофоров в их депротонированных анионных формах в водных растворах. Она сочетает в себе крупномасштабный смешанный подход DFT/EFP/MD с высокоточной многореференсной теорией возмущений XMCQDPT2 и методом эффективного остовного потенциала (EFP). Методология включает в себя многомасштабную настраиваемую обработку внутренних (~ 1000 молекул воды) и внешних (~18000 молекул воды) водных оболочек вокруг заряженного растворенного вещества, улавливая как эффекты специфической сольватации, так и свойства водной среды. VDE рассчитываются как функция размера системы для получения сходящегося значения на уровне теории DFT/EFP. Подход XMCQDPT2/EFP, адаптированный для расчета VDE, соответствует результатам DFT/EFP. С поправкой на вклад поляризации растворителя метод XMCQDPT2/EFP дает наиболее точную на сегодняшний день оценку первого VDE для водного фенолята (7,3 ± 0,1 эВ), что хорошо согласуется с данными жидкостной рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (7,1 ± 0,1 эВ). Было показано, что геометрия водной оболочки и ее размер важны для точных расчетов VDE водного фенолята и его биологически значимых производных. Моделируя фотоэлектронные спектры водного фенолята при двухфотонном возбуждении на длинах волн, соответствующих переходу S0 → S1, также была проведена интерпретация недавних эксперименты по многофотонной УФ-жидко-микроструйной фотоэлектронной спектроскопии. Было найдено, что его первый VDE согласуется с нашей оценкой 7,3 эВ, когда экспериментальные энергии двухфотонной связи исправлены на резонансный вклад. Взаимодействие молекулярного кислорода 3O2 с флавинзависимым белком miniSOG после светового облучения приводит к образованию синглетного кислорода 1O2 и супероксида O2•-. Несмотря на недавно установленные кристаллические структуры вариантов miniSOG, места связывания кислорода вблизи флавинового хромофора плохо охарактеризованы. Было проведено вычислительное исследование систем белок-кислород с использованием моделирования молекулярной динамики (МД) с потенциалами взаимодействия силового поля и потенциалами квантовой механики/молекулярной механики (QM/MM) для исходного miniSOG и мутированного белка. В результате исследования было обнаружено несколько карманов, связывающих кислород, и указали на возможные туннели, соединяющие объем растворителя и изоаллоксазиновое кольцо хромофора. Эти результаты представляют собой важный шаг на пути к пониманию фотофизических свойств miniSOG — важного фотосенсибилизатора синглетного кислорода. 3.2. Вторым большим разделом исследования белковых систем компьютерными методами стало исследование преимущественно основного электронного состояния и его динамики, с большим акцентом на прикладной характер в области биомедицинских исследований. Оксигеназная активность флавинзависимого фермента РутА обычно связана с образованием флавин-кислородных аддуктов в активном центре фермента. Было проведено квантово-молекулярно-механическое моделирования возможных путей реакций, инициируемых различными триплетными комплексами молекулярного кислорода с восстановленным флавинмононуклеотидом (ФМН), образующимся в белковых полостях. Согласно результатам расчетов, эти флавин-кислородные комплексы в триплетном состоянии могут располагаться как на re-, так и на si-стороне изоаллоксазинового кольца флавина. В обоих случаях дикислородный фрагмент активируется за счет переноса электрона от ФМН, стимулируя атаку возникающих активных форм кислорода по позициям C4a, N5, C6 и C8 в изоаллоксазиновом кольце после перехода на поверхность потенциальной энергии синглетного состояния. Пути реакции приводят к ковалентным аддуктам С(4а)-пероксида, N(5)-оксида или С(6)-гидропероксида или непосредственно к окисленному флавину, в зависимости от исходного положения молекулы кислорода в полостях белка. Было проведено компьютерное исследование гидролиза гуанозинтрифосфата (ГТФ) в активном центре белкового комплекса KRas-NF1, где KRas — K-изоформа белка Ras (ras саркома) и NF1 (нейробромин-1) является активирующим белком. Модельная система построена с использованием координат тяжелых атомов кристаллической структуры PDB ID 6OB2 с аналогом GTP GMPPNP. Для анализа конформаций фермент-субстратных комплексов были проведены крупномасштабные расчеты классической молекулярной динамики (МД). Профили энергии Гиббса для реакции гидролиза были рассчитаны с использованием МД-моделирования с потенциалами взаимодействия квантовой/молекулярной механики (QM/MM). Подход теории функционала плотности DFT(wB97X-D3/6-31G**) применялся в QM, а параметры силового поля CHARMM36 - в MM. Наиболее вероятный сценарий химической стадии гидролиза ГТФ в KRas-NF1 соответствует механизму образования неорганического фосфата с участием воды, сопряженному с диссоциацией ГТФ до ГДФ. Пенициллин-связывающие белки 2 (PBP2) являются критически важными ферментами в формировании клеточной стенки бактерий. Ингибирование PBP2 используется при лечении различных заболеваний, включая гонорею. Цефтриаксон в настоящее время является единственным препаратом, используемым для лечения гонореи, и недавний рост устойчивости PBP2 к этому антибиотику представляет собой серьезную угрозу для здоровья человека. Проведенное исследование на основе методов молекулярного моделирования продемонстировало механистические аспекты реакции ингибирования PBP2 у штамма FA19 дикого типа и мутантных штаммов 35/02 и H041 Neisseria Gonorrhoeae цефтриаксоном. Моделирование QM(PBE0-D3/6-31G**)/MM MD показывает, что механизм реакции для PBP2 дикого типа состоит из трех элементарных стадий, включая нуклеофильную атаку, разрыв связи C–N в β-лактамном кольце и элиминирование уходящей группы в цефтриаксоне. В PBP2 мутантных штаммов вторая и третья стадии происходят одновременно. Для всех рассмотренных систем скорость ацилирования определяется энергетическим барьером первого шага, возрастающим в порядке PBP2 от штаммов FA19, 35/02 и H041. Динамическое поведение комплексов ES анализируется с использованием особенностей геометрии и электронной плотности, включая индекс электрофильности Фукуи и лапласиан карт электронной плотности. Это показывает, что более эффективная активация карбонильной группы антибиотика приводит к более низкому энергетическому барьеру нуклеофильной атаки и большей стабилизации первого промежуточного продукта реакции. Динамический сетевой анализ молекулярно динамических траекторий объяснил различия в способности связывания цефтриаксона: у PBP2 из штамма дикого типа конформация петли β3-β4 облегчает связывание субстрата, тогда как в PBP2 из мутантных штаммов она существует в конформации, неблагоприятной для образования комплекса. В итоге исследования было установлено, что экспериментально наблюдаемое снижение константы скорости ацилирования второго порядка (k2/KS) в PBP2 из мутантных штаммов обусловлено как уменьшением константы скорости ацилирования k2, так и увеличением константы диссоциации KS. Также было проведено структурное исследование дыхательных процессов термофильной анаэробной грамположительной бактерии Carboxydothermus Ferrireducens, которая использует нерастворимые оксиды Fe(III) в качестве акцепторов электронов в дыхательных процессах, используя внеклеточный 11-гемовый цитохром c OmhA в качестве терминальной редуктазы. OmhA способна переносить электроны на растворимые и нерастворимые соединения Fe(III), субстраты мультигемовых оксидоредуктаз и растворимые электронные переносчики. Кристаллическая структура OmhA с разрешением 2,5 Å показывает, что она состоит из двух функционально различных частей: домена переноса электрона цитохрома С и домена связывания S-слоя. Негемный С-концевой субдомен цитохрома С структурно аналогичен внеклеточному мультигемовому цитохрому OcwA металлредуцирующей грамположительной бактерии Thermincola potens. Связывающий домен S-слоя OmhA отвечает за взаимодействие с S-слоем, который окружает клеточную оболочку Carboxydothermus Ferrireducens. Были описаны структурные основы, обеспечивающие встраивание внеклеточных мультигемовых цитохромов в S-слой клеточной стенки грамположительного типа, а также предполагаемые пути переноса электронов к нерастворимым минералам. Инфекции гриппа часто усугубляются вторичными бактериальными инфекциями, в первую очередь вызванными Streptococcus pneumoniae. Оба респираторных патогена содержат нейраминидазы, которые поддерживают инфекцию. В исследованиях этого года было проверено предположение, что двойные ингибиторы вирусной и бактериальной нейраминидазы могут быть выгодной стратегией лечения сезонной и пандемической гриппозной пневмонии, осложненной бактериальными инфекциями. Проведя компьютерный скрининг оригинальной библиотеки лекарственных молекул, был обнаружен новый хемотип, который может представлять интерес для дальнейшей кампании по поиску малых молекул против гриппа. Исследование пространства пирроло[2,3-е]индазола привело к идентификации двух хитовых соединений, 6h и 12. Эти молекулы хорошо переносились клетками MDCK и ингибировали репликацию штаммов вируса гриппа А H3N2 и H1N1. Более того, оба соединения подавляют вирусную и пневмококковую нейраминидазу, что указывает на их двойную активность. Учитывая свою противовирусную активность, пирроло[2,3-е]индазол был идентифицирован как многообещающий каркас для разработки новых ингибиторов нейраминидазы, активных против вируса гриппа А и S. pneumoniae. В результате исследований было обнаружено, что пирроло[2,3-е]индазолы представляют новый класс низкомолекулярных ингибиторов, воздействующих на нейраминидазу вируса гриппа А. По результатам исследований структура-активность R1-фенильное кольцо, содержащее пара-нитро-, амино- или трифторгруппы пирроло[2,3-е]индазолов, важно для ингибирования обоих циркулирующих подтипов вируса гриппа А. H3N2 и H1N1. Терапевтическое преимущество пирроло[2,3-е]индазолов может заключаться в их двойной активности в отношении вирусной нейраминидазы, а также структурно родственной нейраминидазы NanA S. pneumoniae. Молекулярно-динамическое моделирование показывает, что фрагмент этилового эфира, гидроксигруппы и основная система пирроло[2,3-е]индазола ответственны за образование стабильных комплексов с активными центрами как вирусных, так и бактериальных нейраминидаз. Некоторые пирроло[2,3-е]индазолы также подавляют рост бактерий. В совокупности эти результаты привели к выводу, что пирроло[2,3-е]индазол представляет собой новые хитовые соединения, требующие дальнейшей разработки. Разработка безопасных методов лечения боли представляет центральный интерес для биомедицинских приложений. Фторированное производное фентанила N-(3-фтор-1-фенетилпиперидин-4-ил)-N-фенилпропионамид (NFEPP) потенциально является более безопасной альтернативой фентанилу, поскольку в отличие от фентанила, который связывается с μ-опиоидным рецептором (MOR) как при физиологическом, так и при кислом pH, — NFEPP может связываться с MOR только при кислом pH, типичном для воспаленной ткани. Таким образом, знание связанной с протонированием динамики взаимодействий рецептор-лекарство необходимо для понимания молекулярного механизма, с помощью которого активация рецептора инициирует передачу клеточных сигналов для подавления боли. С этой целью было проведено обширное атомистическое моделирование MOR в различных состояниях протонирования, в отсутствие опиоидных препаратов и в присутствии фентанила по сравнению с NFEPP. Был использован графовый анализ, чтобы охарактеризовать внутренние сети водородных связей, которые могут способствовать активации MOR. В ходе исследования было обнаружено, что фентанил и NFEPP предпочитают разные позы связывания и что в своих позах связывания фентанил и NFEPP участвуют в различных внутренних сетях водородных связей, что приводит к образованию цитоплазматической области связывания G-белка. Более того, состояние протонирования функционально важных боковых цепей аспарагиновой кислоты и гистидина влияет на сети водородных связей, которые распространяются по всему рецептору, так что связанный с лигандом MOR присутствует на своей цитоплазматической стороне, связывающей G-белок, - среде водородных связей, динамика которой зависит от того, связан ли фентанил или NFEPP, а также от состояния протонирования конкретных групп MOR. Исключительная чувствительность внутренней сети водородных связей белок-вода к состоянию протонирования и к особенностям связывания лекарства может позволить MOR вызывать различные pH- и опиоид-зависимые ответы в цитоплазматическом сайте связывания G-белка. Еще одним объектом изучения стали Пиридоксаль-5'-фосфат (PLP)-зависимые трансаминазы, которые являются высокоэффективными биокатализаторами стереоселективного аминирования. Трансаминазы D-аминокислот могут катализировать стереоселективное переаминирование с образованием оптически чистых D-аминокислот. Знание способа связывания субстрата и механизма дифференцировки субстрата в трансаминазах D-аминокислот сводится к анализу трансаминазы Bacillus subtilis. Однако на сегодняшний день известны как минимум две группы трансаминаз D-аминокислот, различающихся организацией активного центра. Было проведено подробное исследование трансаминазы D-аминокислот грамотрицательной бактерии Aminobacterium colombiense со способом связывания субстрата, отличным от такового для трансаминазы из B. subtilis. Фермент был исследован с помощью кинетического анализа, молекулярного моделирования и структурного анализа холофермента и его комплекса с D-глутаматом. Были сравнены механизмы многоточечного связывания D-глутамата со связыванием других субстратов, D-аспартата и D-орнитина. Моделирование QM/MM MD показало, что субстрат может действовать как основание, а его протон может переноситься с аминогруппы на α-карбоксилатную группу. Этот процесс происходит одновременно с нуклеофильной атакой атома углерода PLP атомом азота субстрата, образуя на стадии трансиминации гем-диамин. Это объясняет отсутствие каталитической активности по отношению к (R)-аминам, у которых отсутствует α-карбоксилатная группа. Полученные результаты проясняют другой способ связывания субстрата в трансаминазах D-аминокислот и подтверждают механизм активации субстрата. Одной из актуальных проблем является исследования в области решения эпидемии ковида. Было проведено компьютерное моделирование реакций основной протеазы SARS-CoV-2 (MPro) с четырьмя потенциальными ковалентными ингибиторами. Два из них, кармофур и нирмарелвир, экспериментально показали способность ингибировать MPro. Два других соединения, X77A и X77C, были предложены в ходе работ над данной темой. Они произошли от структуры X77, нековалентного ингибитора, образующего плотный поверхностный комплекс с MPro. Структуру X77 была модифицирована, введя боеголовки, способные реагировать с каталитическим остатком цистеина в активном центре MPro. Механизмы реакции четырех молекул с MPro были исследованы с помощью квантово-молекулярного моделирования (QM/MM). Результаты показывают, что все четыре соединения образуют ковалентные аддукты с каталитическим цистеином Cys 145 MPro. С химической точки зрения реакции этих четырех молекул с MPro следуют трем различным механизмам. Реакции инициируются нуклеофильной атакой тиолатной группы депротонированного остатка цистеина каталитической диады Cys145-His41 MPro. В случае кармофура и Х77А ковалентное связывание тиолата с лигандом сопровождается образованием фторурациловой уходящей группы. Реакция с X77C протекает по механизму нуклеофильного ароматического замещения SNAr. Реакция MPro с нирмарелвиром (имеющим реакционноспособную нитрильную группу) приводит к образованию ковалентного тиоимидатного аддукта с тиолатом остатка Cys145 в активном центре фермента. Также были проведены общие систематические исследования в данной области. На основе моделирования элементарных процессов каталитического цикла ферментов проведен анализ профилей свободной энергии вдоль координаты реакции для нескольких модельных реакций. Показан существенный вклад быстрых нелимитирующих стадий, представляющих собой конформационные изменения/подстройки, и стадии переноса протона в осуществление каталитического цикла и реализацию высоких скоростей ферментативных реакций. На основе анализа профилей свободной энергии определены константы скорости конформационных изменений и стадий переноса протона. В большинстве случаев времена жизни конформеров лежат в области 10–10 с. Отличительной чертой ферментативного катализа является многостадийность реакций, при этом каталитический цикл реализуется в конформационно подвижной полимерной матрице с конформационной подстройкой активного центра фермента. Для ферментативного катализа характерны многостадийные химические реакции на пути от фермент-субстратных комплексов до продуктов. В ряде случаев в ходе экспериментальных исследований удается характеризовать структуру и свойства интермедиатов сложных химических реакций вбелках. Применение современных компьютерных методов моделирования позволяет существенно дополнить знание о механизмах реакций ферментативного катализа и представить подробные данные о реакционных интермедиатах, включая структуры с атомным разрешением. Накопленные к настоящему времени материалы позволили создать уникальную базу данных, названную ENIAD(ENzyme-In-Action-Data bank, https://lcc.chem.msu.ru/eniad. 4. В области компьютерного моделирования твердого тела и материалов была изучена динамика диоксида углерода, карбонат-аниона и дикарбонат-аниона в цеолите NaKA на уровне DFT GGA с использованием ab initio молекулярной динамики (AIMD). Было предсказано незначительное образование дикарбоната в результате реакции при высокой загрузке CO2 и их равновесие при низкой загрузке CO2. Обнаружено, что дикарбонат-анион может контактировать с вплоть до шести катионов (Me+ и Na+, Me = Na, K, Rb, Cs), что может снижать разделительные свойства цеолитов NaMeA по отношению к смесям с CO2. Взаимодействие K+ с дикарбонатной разновидностью C2O52- выталкивает катион из позиции 8R в полной аналогии с изученным ранее деблокированием карбоната. Легкое образование C2O52- в NaMeA подтверждается моделированием реакции образования C2O52- на DFT GGA (PBE-D3) и гибридных уровнях (B3LYP, HISS, HSE06) с cNEB. Рассчитанные интенсивности высоко- и низкочастотных ветвей валентных колебаний в C2O52- сравниваются с расчетными для молекул Me2C2O5 и известными данными ИК-спектроскопии в цеолитах NaMeA. Этот новый механизм деблокирования может быть важен для широкого семейства узкопористых цеолитов (CHA, RHO, KFI и т. д.) при комнатной температуре, когда карбонаты наблюдаются в ИК-спектрах. Модификация алгоритм эластичной ленты (cNEB) была применена совместно с расчетами на уровне теории функционала плотности вращательных барьеров восьми линейных молекул (H2, N2, O2, CO, CO2, NO, N2O, C2H2), адсорбированных в периодических моделях цеолитов NaY и NaCaY в катионных позициях MeII (катион металла Na или Ca в позиции SII), расположенных вблизи окон 6R. Особый подход применяется для молекул с положительным квадрупольным (H2, C2H2) и малым отрицательным квадрупольным (3O2) моментами при применении cNEB. Полученная Т-геометрия относительно катиона является наиболее частым случаем адсорбции H2 в катионных ситах и металлоорганических каркасах (МОК). Рассчитанные барьеры для Т- и других линейных (L) ориентаций хорошо коррелируют с квадрупольными моментами, взятыми из литературы, независимо от значений диполей (CO, NO, N2O). В случае NaY также было исследовано распределение Al по центрам 6R, что позволило найти наиболее предпочтительные места адсорбции. Рассчитанные энергии относительно полученных вращательных барьеров относительно пары H2 - D2 приводят к качественному согласию с экспериментальной изотопной разницей в теплотах адсорбции H2/D2 в NaY, что в конечном итоге приводит к коэффициенту разделения H2/D2.
4 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Строение и динамика атомно-молекулярных систем, этап 2024 г
Результаты этапа: -
5 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Строение и динамика атомно-молекулярных систем, этап 2025 г
Результаты этапа: 1. Изучение механизмов каталитических превращений и ингибирования биомолекул Теоретические исследования в рамках моделирование макромолекулярных биосистем носили фундаментально-прикладной характер и были направлены на раскрытие атомистических механизмов биохимических процессов, недоступных для прямого экспериментального наблюдения в реальном времени. Таким образом, теоретические исследования выступили в роли инструмента, обеспечивающего перехода от экспериментальных наблюдений к их механистической интерпретации. Фокус в исследованиях сделан на ферментах, имеющих медицинское значение (вирусные протеазы, гидролазы), что определяет прямую потенциальную применимость результатов. Исследования проводились для определение молекулярных механизмов (1) субстратной специфичности гидролаз, (2) путей передачи протона в активном центре глутаминазы C, (3) экспериментально наблюдаемого синергизма при совместном действии двух ингибиторов на капсидный белок риновируса и (4) взаимодействия бороновых ингибиторов и бета-лактамаз на основе обобщения и систематизации литературных данных. Важным направлением стало изучение динамического поведения макромолекулярных систем с применением передовых вычислительных методов молекулярного моделирования механизмов ферментативного катализа и взаимодействия «белок-лиганд». Это направление обосновано необходимостью перехода от статического описания молекулярных структур к динамическому, а также к описанию на квантово-химическом уровне превращений в активных центрах ферментов, в задачах, связанных с рациональным дизайном высокоселективных ингибиторов активности биомолекул и других лекарственных средств. Для решения поставленных задач были применены следующие методы. Для анализа структурной динамики и взаимодействий в масштабе всей белковой системы применялся метод классической молекулярной динамики (МД), использующий эмпирические силовые поля. Метод МД с классическими силовыми полями использовался для анализа структурной подвижности и динамики комплексов на больших временных интервалах (до микросекунд). Для детализации взаимодействий в активных центрах ферментов использовался комбинированный метод квантово-механический/молекулярно-механический (КМ/ММ).Квантово-химической описание проводилось в рамках теории функционала протности (ТФП) с использованием двухэкспоненциальных атомных базисных наборов. КМ/ММ динамические расчёты были проведены для моделирования электронной структуры в активных центрах, для описания актов образования и разрыва химических связей. В исследованиях также использовались нейросетевые подходы с целью автоматической классификации дескрипторов карт лапласиана электронной плотности. Например были изучены реакции гидролиза, катализируемые ферментами и инициируемые нуклеофильной атакой карбонильного атома углерода субстрата. С точки зрения электронной структуры, активацию субстрата можно охарактеризовать с помощью лапласиана электронной плотности. Это простой и наглядный метод визуализации, который позволяет “увидеть” электрофильный участок на карбонильном углероде, который встречается только в активированных молекулах. Эффективность активации субстрата ферментами может быть количественно определена по соотношению активированных и неактивированных состояний, полученных из траекторий МД, выполненных с использованием смешанных КМ/ММ потенциалов. Предложена нейронная сеть, которая делит все состояния, наблюдаемые в траектории на активированные и неактивированные, исходя из изображений лапласиана электронной плотности. Нейронная сеть обучена на комплексах цистеиновой протеазы коронавируса и успешно протестирована на цинксодержащей гидролазе, что демонстрирует универсальность предложенного подхода. Проведено компьютерное моделирование структуры фермент-субстратного комплекса филамента глутаминазы C (GAC) с помощью МД расчетов с классическими и комбинированными КМ/ММ потенциалами. Предложены пути передачи протона, предшествующие химической реакции и определены наиболее вероятные доноры и акцепторы в сетках водородных связей, вовлеченных в передачу протона. Проведено молекулярное моделирование капсидных белков риновирусов и их взаимодействие с ингибитором OBR-5-340 и плеконарилом. Эти соединения могут связываться одновременно, образуя тройной комплекс. Комбинация плеконарил-OBR-5-340 превосходит эффективность монотерапии и подавляет более широкий спектр побочных эффектов по сравнению с монотерапией. На основании моделирования методом классической МД проведена интерпретация экспериментально наблюдаемого синергизма при совместном использовании двух ингибиторов. Показано, что тройной комплекс дополнительно стабилизируется гидрофобными взаимодействиями и водородными связями. Предложена механистическая интерпретация экспериментально наблюдаемого синергизма при совместном действии двух ингибиторов на капсидный белок риновируса. Предложен автоматизированный подход для оценки субстратной специфичности гидролаз, использующий классификацию карт лапласиана электронной плотности. Подготовлен и опубликован обзор литературных данных по молекулярным механизмам ингибирования бета-лактамаз бороновыми кислотами. 2. Исследования каталитических взаимодействий с металлическими и металлоорганическими катализаторами с использованием ТФП расчетов Моделирование механизма гетерогенных каталитических реакций с участием наночастиц переходных металлов состояло в расчётах превращения фенилэтанола на нанокластере золота. Поставленная задача состояла в проведение моделирования адсорбции и превращения фенилэтанола, приводящего к образованию фенилацетальдегида на тетраэдрическом нанокластере Au20 методом функционала плотности DFT/B3LYP/LANL2DZ. Показано, что атомы золота, находящиеся в вершине кластера, обладают наибольшей активностью в адсорбции спирта. Исследованы возможные превращения фенилэтанола на кластере Au20, приводящие к образованию фенилацетальдегида. На основе рассчитанных термодинамических и кинетических величин сделан вывод о преимущественном протекании процесса через металлогидридный механизм. Методы молекулярной динамики были применены для изучения механизмов инкапсуляции органических катионных лигандов в металлоорганические каркасы (МОК). Катионный катенан DA[2]C экспериментально успешно инкапсулировал при комнатной температуре с использованием воды в качестве растворителя. Полученный композит проявляет фотокаталитические свойства с высокой селективностью. Моделирование механизма инкапсуляции было проведено с использованием МД в рамках формализма Борна-Оппенгеймера и полуэмнирической ТФП (xTB с поправкой на дисперсию D3). Расчет траекторий проводили с временным интервалом 1 фс, при температуре 300 К (температура поддерживалась с помощью алгоритма изменения скорости с допуском 30 К) с использованием кода CP2K. Моделированные проводилось для нейтральных протонированных систем. Моделирование взаимодействия лигандов BDC-F4 (фрагменты МОК UiO-66-F4) с тетракатионом DA[2]C (CBPQT4+) выявило, что частично или полностью депротонированный BDC-F4 может быть прочно прикреплен к участку CBPQT4+ в геометриях с бензольными кольцами как параллельными, так и перпендикулярными фрагменту 4,4'-бипиридиния. В обеих конфигурациях BDC-F4 притягивается к CBPQT4+ соседними карбоксильными группами, которые поворачиваются, чтобы ориентировать атомы кислорода в направлении органического катиона. Чтобы смоделировать поведение CBPQT4+ внутри кристалла UiO-66-F4, CBPQT4+ поместили в полость размером ≈22 Å × 22 Å, полученную путем удаления одного металлического узла и всех окружающих лигандов в UiO-66-F4. Компьютерное моделирование этой системы показало, что катион притягивает COO-фрагменты и электроотрицательные боковые группы F лиганда BCD-F4, в основном взаимодействуя с карбоксильными группами, что подтверждает первоначальные выводы о роли лиганда в инкапсуляции тетракатиона, сделанные на основе экспериментальных данных,. Таким образом, поверхность UiO-66-F4, растущая вблизи тетракатиона CBPQT4+, заряжена отрицательно. Теоретические расчеты показали сильное взаимодействие между отрицательно заряженными лигандами BDC-F4 и катионами DA[2]C, обусловленное электростатическими силами и притяжением атомов F. Компьютерное моделирование подтвердило, что лиганды BDC-F4 притягивают катионы за счет карбоксильных групп и атомов F. Были изучен механизм активации процесса электровосстановления CO в n-пропанол n-пропанола на катализаторе Cu0/Cu+ путем регулирования концентрации протонов. Экспериментально было обнаружено, что регулирование концентрации протонов увеличивают давление CO при использовании протонной губки, существенно повышает выход n-пропанола на катализаторе Cu0/Cu+. Было проведено моделирование для оценки влияния протонной губки на степень окисления Cu и на ключевую стадию роста С-цепи с использованием программы Quantum Espresso. Расчеты адсорбции частиц на поверхностях Cu0/Cu+ проводились с использованием функционала PBE с базисом плоских волн в комбинации с псевдопотенциалами Вандербильта. Модель Cu0/Cu+ была представлена моделью поверхности частично восстановленного оксида Cu2O (111), содержащей кислородные поверхностные вакансии. Были рассчитаны энергия образования кислорода и энергия адсорбции частиц *OCCO и *OCCOCOCO. Расчеты показали, что протонная губка адсорбируется на поверхности Cu2o в различных конфигурациях, притягиваясь к поверхности Cu2o за счет взаимодействия углерода с медью, а также слабых взаимодействий атомов водорода с поверхностью. Присутствие протонной губки существенно увеличивало энергию образования кислородной вакансии на поверхности Cu2O , таким образом предотвращая удаление кислорода с реакционноспособной поверхности и сохраняя степень окисления из Cu+, которая сосуществует с металлической Cu0. Следовательно, соотношение Cu + /Cu0 стабилизировалось в присутствии протонной губки. Рассмотрение роста С-цепи на поверхностях Cu +/Cu0 и Cu00 показало, что адсорбция промежуточных соединений CO, OCCO и OCCOCOCO на Cu +/Cu0 более благоприятна. Для *OCCOCO энергия адсорбции на Cu +/Cu0 составляла -1,76 эВ, в то время как для металлической системы Cu она составляла -0,66 эВ. Как в системах Cu +/Cu0, так и в системах Cu0 OCCOCO прикреплялся к поверхности через концевые атомы углерода с обеих сторон, взаимодействуя с поверхностными атомами меди, в то время как ни средний атом углерода, ни атомы кислорода не участвовали в адсорбции. Для системы со смешанной валентностью Cu +/Cu 0 расстояние между участками меди идеально соответствовало длине цепи C3 промежуточных продуктов OCCOCO, что было еще одним фактором, ответственным за его повышенную селективность и активность по отношению к продукту C3. С другой стороны, протонная губка может локально стабилизировать диссоциированные молекулы воды, собирая H+ внутри. Комплекс [протонная губка–H]+ притягивает OH− вместе с молекулами воды благодаря электростатическому взаимодействию. Система с H+ в протонной губке и гидратированным OH− менее энергетически выгодна на 0,43 эВ, чем система протонная губка-вода. Однако электрохимического перенапряжения, приложенного к системе во время реакции (-0,44 В против RHE), достаточно для преодоления этого энергетического барьера, то есть отрицательно заряженная поверхность катализатора за счет электростатического взаимодействия провоцирует диссоциацию воды; протонная губка собирает образующиеся протоны и способствует их поступлению в реакционные центры. Таким образом, расчеты демонстрируют, что синергетическая оптимизация нескольких параметров реакции на медном катализаторе, функционализированном на основе протонной губки, приводит к значительному повышению эффективности получения n-пропанола. Т. о., модификация протонной губкой регулирует промежуточные продукты. Локальные характеристики и расчеты DFT подтверждают стабильность Cu+ и CO в катализаторах, что облегчает соединение C1–C2 и повышает выход n-пропанола. Моделирование ТФП подтверждает благоприятную адсорбцию промежуточных соединений на поверхности Cu+/Cu0 и стабилизацию диссоциированных молекул воды протонной губкой. Оптимальная геометрическая конфигурация Cu+/Cu0 повышает эффективность синтеза n-пропанола. Протонная губка стабилизирует Cu+/Cu0, предотвращая удаление кислорода и увеличивая адсорбцию CO, OCCO и OCCOCOCO. Это способствует росту углеродной цепи C3 и образованию n-пропанола. Одним из наиболее перспективных методов улучшения производительности и стабильности перовскитных солнечных элементов (PSCs) является пассивация поверхности и межзеренных границ с использованием замещенных солей аммония. Экспериментальное изучение в качестве пассивирующих агентов солей фенилметанаминийодида (PMAI) функционализированных фураном, тиофеном и селенофеном (FPMAI, TPMAI и SPMAI) показало, что PSCs, обработанные TPMAI, демонстрируют наивысшую эффективность преобразования энергии. Для моделирования адсорбции солей PMAI на поверхности перовскита расчеты проводились с использованием функционала плотности PBE и дисперсионной коррекции D3 с атомный базисный набор DZVP-MOLOPT41 в комбинации с набором плоских волн с ограничением энергии 600 Ry и псевдопотенциалов GHT. Расчеты выполнялись с использованием кода CP2K. Рассчитанные энергии адсорбции трех солей PMAI (FPMAI, TPMAI, SPMAI) на поверхности перовскита оказались одинаковыми (-1,19 эВ/молекула для FPMAI, -1,21 эВ/молекула для TPMAI, -1,20 эВ/молекула для SPMAI). При этом катионы TPMAI образуют S−S взаимодействия, что увеличивает стабильность монослоя. Также были рассчитаны энергии образования йодных вакансий в пассивированных образцах. Наименьшая энергия образования вакансий йода наблюдалась для образца с TPMAI (0,34 эВ), что указывает на минимальное количество вакансий йода и их благоприятное влияние на перенос носителей заряда. Сделан вывод, что TPMAI обеспечивает эффективную пассивацию, препятствуя образованию йодных вакансий. 3. Изучение эффектов конформационной нежесткости молекул Актуальным также является получение с помощью устойчивых численных методов решения нелинейных обратных задач, основанных на теории регуляризации Тихонова, данных о параметрах потенциальных функций для многоатомных молекул, обладающих свойством переносимости в рядах родственных соединений. Ранее коллектив проводил исследования свойств и строения конформационно нежестких молекул с внутренним вращением в основном и возбужденных электронных состояниях, моделирование колебательных и электронно-колебательных спектров молекул. В этом году теоретические исследования были проведены для широкого круга объектов, представляющих практическую значимость. Для достижения поставленных целей были использованы неэмпирические квантово-химические методы для оценки строения и особенностей поверхностей потенциальной энергии (ППЭ) молекул в заданных электронных состояниях, а также численные методы квантово-механического моделирования колебательной динамики, обусловленной сложными колебательными движениями, имеющими существенно ангармонический характер и относительно большую амплитуду. Метод молекулярной динамики использован для поиска наиболее устойчивых конформаций молекул исследуемых соединений. Исследованное соединение 2′-(пиридил)имидазол (2ПИ) имеет свойство к образованию комплексов с различными переходными металлами, которое востребовано в координационной химии, и, соответственно, имеет большое практическое применение. В работе применялись устойчивые численные методы, специально разработанные для решения нелинейных обратных задач определения параметров потенциальной функции в рамках теории регуляризации Тихонова. Исследованы колебательные (ИК и КР) спектры 2′-(пиридил)имидазола в твердом состоянии и в растворах разной концентрации в тетрахлориде углерода и в хлористом метилене в широком интервале температур, в том числе для растворов в растворителях различной полярности). Предложена интерпретация спектров на основе результатов квантово-химических расчетов строения и колебательных спектров молекулы 2ПИ и ряда ее кластеров. На основе совместного анализа экспериментальных данных, результатов квантово-механических расчетов и результатов решений нелинейных обратных задач восстановления параметров молекулярного силового поля определены полные наборы параметров силовых полей исследованных систем, обладающие свойством переносимости в ряду родственных соединений. В рамках расчетов ТФП был проведен теоретический анализ кристаллических структур соединения (2R,3R)-5-(2-(хлороацетокси)-2-(3,4-диацетоксифенил)-4-оксохроман-3,7-диил. Были получены данные о геометрическом строении молекул и разности энергий конформеров (2R,3R)-5-(2-(хлороацетокси)-2-(3,4-диацетоксифенил)-4-оксохроман-3,7-диил, наблюдаемых согласно результатам рентгеноструктурного исследования в элементарной ячейке кристалла. Расчеты проводились методами r2scan-3c и B3LYP/ def2-TZVP. Полученные данные о геометрическом строении молекул и разности энергий конформеров хорошо согласуются с экспериментальными данными. Было проведено теоретическое исследование нежёстких молекул фторида циклопропанкарбоновой кислоты и хлорида циклопропанкарбоновой кислоты ( (2R,3R)-5-(2-(хлороацетокси)-2-(3,4-диацетоксифенил)-4-оксохроман-3,7-диил диацетата) в низших возбуждённых синглетных и триплетных электронных состояниях Ацилгалогениды, такие как CH3CFO и CH3CClO, являются нежесткими молекулами, поведение которых значительно меняется в результате электронного возбуждения. Возбуждение, обусловленное переходами в низшие синглетное (𝑆1) и триплетное (𝑇1) состояния вызывает пирамидализацию и вращение фрагмента CCO𝐻𝑎𝑙 (𝐻𝑎𝑙 = F, Cl). Экспериментально и теоретически наблюдаются два движения с большой амплитудой, которые могут быть ангармоническими и коррелированными: внутреннее вращение и инверсия фрагмента CCO. Интерпретация экспериментальных спектров требует знания уровней колебаний в основном и возбужденном состояниях, которые невозможно точно смоделировать с помощью гармонических приближений. Для ангармонических моделей необходимы геометрия равновесия и сечения поверхности потенциальной энергии (ППЭ). Для расчета ППЭ в возбужденном состоянии требуются высокоточные квантово-химические методы, способные учитывать как статическую, так и динамическую электронную корреляцию. Исследование было выполнено с использованием двух мультиреференсных вариантов теории возмущений возмущений (MRPT): SS-CASPT2/cc-pVTZ, модельное пространство которого одномерно, и недавно разработанного полностью неконтрактированного метода CDAS-PT2, в котором модельное пространство расширяется до полного пространства активных орбиралей. CDAS-PT2 – это новый метод MRPT, основанный на одночастичном гамильтониане нулевого порядка, как и CASPT2. Сложные расчеты ППЭ с помощью CDAS-PT2 до настоящей работы не проводились. Такие расчеты были выполнены в работе и было проведено сравнение их результатов с результатами расчетов CASPT2. На ППЭЮ полученных из MRPT расчетов колебательная ангармоническая задача для рассмотрения торсионных и инверсионных колебаний большой амплитуды была решена вариационным методом в одномерном и двумерном приближениях. Для двух использованных методов теории возмущений были сравнены результаты: равновесные геометрические параметры, одномерные сечения поверхности потенциальной энергии, энергии низших колебательных уровней. Значительное завышение энергий адиабатического возбуждения, полученных для выбранного единственного состояния с помощью CDAS-PT2 по сравнению с CASPT2 указывает на то, что энергии возбуждения CDAS-PT2 следует получать с помощью процедур усреднения состояний. Выбор правильного усреднения является общей проблемой для любых методов, основанных на CASSCF, и должен рассматриваться в каждом конкретном случае, особенно если требуются высокоточные энергии возбуждения. Оба использованных метода MRPT демонстрируют сходные параметры равновесия. Однако метод учета динамической корреляции заметно влияет на длину нескольких связей. Так CDAS-PT2 предсказывает более «двойной» характер связи CO (более короткое равновесное значение) более «однократный» характером связи C-Cl по сравнению с результатами CASPT2. Учитывая тот факт, что исходное активное пространство не включало диффузные сигма-орбитали на атомах галогена, наблюдаемые изменения в сигма-связи можно рассматривать, как проявление динамической корреляции. Все остальные длины связей, одномерные сечения PESs, траектории с минимальной энергией и уровни ангармонических колебаний показывают хорошее соответствие между применяемыми теориями возмущений. Оба пертурбативных подхода демонстрируют сильную связь между торсионными и инверсионными движениями, а также наличие точек бифуркации на путях минимальной энергии. Было обнаружено, что в большинстве рассмотренных случаев (CPClA в 𝑇1 и CPFA в 𝑆1 и 𝑇1 состояниях) торсионно–инверсионные двухмерные сечения ППЭ являются более сложными, чем у родственной молекулы циклопропанкарбоксальдегида. Анализ форм всех ППЭ свидетельствует о том, что внутреннее вращение тесно связано с инверсией галогензамещенной карбонильной группы. 4. Моделирование колебательно-вращательных спектров сложных молекул В рамках отработки методик решения прямой и обратной колебательно-вращательной задачи асимметричных волчков было проведено моделирование на примере изотопологов дифторхлорметана CHF2Cl. Будучи важным атмосферным загрязнителем, молекула дифторхлорметана, также имеющая международное тривиальное название HCFC-22, недостаточно исследована в плане интерпретации ее колебательно-вращательных спектров, включая изотополог 13С. Проведение надежного моделирования спектров этой молекулы требует использования точных силовых полей, адекватно описывают внутримолекулярные взаимодействия. Методическая реализация проекта включает проведение неэмпирических расчётов поверхностей потенциальной энергии и дипольного момента, проведение расчетов прямым методом и интерпретация спектра на основе решения обратной задачи. Работы проекта предусматривали определение зависимости качества решения прямой задачи в зависимости от порядка теории возмущений. Проведение физически достоверных расчётов колебательно-вращательных спектров молекул сопряжено с рядом фундаментальных сложностей. Ключевым вызовом является расчет громоздких коммутаторов в рамках операторной теории возмущений (ОТВ), сводящимся к серии контактных преобразований (КП) гамильтониана Ватсона. Решение этой проблемы дает возможность проводить рутинные расчеты ИК спектров высокого разрешения с целью их интепретации и также усовершенствования теоретических методик. Для интерпретации спектров исследуемых объектов необходимо решить раз фундаментальных задач (например, нормальное упорядочение некоммутирующих операторов) и подобрать методику расшифровки экспериментальных спектров. В ходе выполнения работ проведены вычислительные эксперименты по варьированию параметров численно-аналитического решения прямой задачи с целью достижения надлежащего качества расчета в зависимости от набора малых параметров отсечения нерелевантных слагаемых. Показана необходимость явного учета некоторых резонансных эффектов для достижения отличного согласия эмулированного спектра с экспериментальным. Секстичные поверхности потенциальной энергии (ППЭ) и квинтичные поверхности дипольного момента (ПДМ) были расчитаны с помощью квантово-механической программы CFOUR. При этом использовался метод связанных кластеров и базисный набор Даннинга TZ/QZ-качества. Решение колебательно-вращательного уравнения Шредингера проводилось с помощью метода контактных преобразований, реализованого на основе операторной теории возмущений. Для этого был использован оригинальный программный код на языке Фортран-90. Интерпретация экспериментального спектра проводилась с помощью оригинального кода COROVA (COde for RO-Vibrational Analysis) на языке Python. Для интерпретации экспериментальных данных необходимо подобрать подходящую эмпирическую модель, называемую эффективным гамильтонианом центробежного искажения. Возможными вариантами являются модели с квартичными, секстичными и октичными параметрами, а также резонансные гамильтонианы с параметрами резонансов Ферми и Кориолиса. Для достаточной тяжелой молекулы HCFC-22 достаточно ограничиться варьируемыми квартичными параметрами и фиксированными секстичными параметрами. Учет резонансов необходим для второй полиады, где имеется сильный резонанс Фермии v4/2v6. Проведенные расчеты показали необходимость учета и резонансов Кориолиса, см Рисунок 1. Работы, отвечающие задачам отчетной госбюджетной темы, выполнены в полном объеме. Проведены расчеты поверхностей потенциальной энергии и дипольного момента изотопологов HCFC-22. Показано, что использование квантово-механической программы CFOUR и метода связанных кластеров в сочетании с базисными наборами качества QZ обеспечивает отличный уровень согласия расчетных спектров с экспериментальными, что позволяет эффективно подгонять полученные эффективные параметры до точного воспероизведения экспериментальных данных с итоговым RMSD ~ 10-4 см-1. Рассчитаны спектроскопические константы эффективных гамильтонианов и списки колебательных переходов. Показано, что для воспроизведения экспериментальных спектров необходимо учитывать колебательно-зависимые параметры резонансов Ферми и Кориолиса. Интепретированы спектры HCFC-22 для второй колебательной полиады. В 2025 году продолжались прецизионные квантово-механические методы моделирования энергетических и радиационных характеристик двухатомных молекул с учетом внутримолекулярных взаимодействий. Димеры щелочных металлов остаются в центре спектральных исследований малых молекул. Это связано, прежде всего, с потенциальными возможностями использования их в качестве ультрахолодных квантово-вырожденных газов для моделирования квантовых вычислений и квантово-управляемых химических реакций. Кроме того, большой объем прецизионных экспериментальных данных позволяет использовать их в качестве теста при разработке неадиабатических моделей описания ровибронной структуры малых молекул. Были проведены расчеты B1Π и D1Π электронных состояний молекулы LiRb с целью интерпретации экспериментальных данных. Методом лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ) с использованием Фурье-спектроскопии высокого разрешения зарегистрировано расщепление ровибронных уровней B1Π и D1Π электронных состояний молекулы LiRb. Расщепление уровней было рассчитано на экспериментальном уровне точности в рамках разработанной неадиабатической модели, учитывающей внутримолекулярные взаимодействий с 1Σ состояниями за счет электронно-вращательного оператора. Для молекулы К2 на основе уникальных экспериментальных данных ЛИФ получена аналитическая функция потенциальной энергии основного электронного состояния, позволяющая рассчитать энергию ровибронных уровней, лежащих как в связанной, так и в квази-связанной области спектра на спектральном уровне точности. 5. Развитие методов и подходов Изучение свойств молекул в возбужденных состояниях требует развития соответствующих теоретических подходов. Членами научного коллектива ведется разработка и тестирование метода расчета структуры и энергии малых органических молекул на основе теории возмущений CDAS-PT2. Статья, представляющая данный метод в рамках многоконфигурционной теории теории возмущений второго порядка была опубликована в 2024 году был разработан новый метод (Ilya O. Glebov, Vladimir V. Poddubnyy, and Daniil Khokhlov. Journal of Chemical Physics, 161(2):024114, 2024). Дальнейшая проверка точности метода и усовершенствование расчетной процедуры проводились в отчетном году. Узким местом CDAS-PT2, как и в челом методов данного класса, является большое время расчета, связанное с вычислением молекулярных интегралов. Известно, что использование схем расчетов NAI и ERI с помощью квадратур может быть более эффективным по сравнению со схемами, где используются функции Бойса, как в случае малых, так и в случае больших орбитальных моментов рассматриваемых атомных орбиталей. Но в первом случае наиболее трудоемким является сам расчет точек и корней квадратур. По этой причине первой задачей являлась разработка быстрого, но достаточно точного, метода расчета этих точек и весов. Была проведена разработка программного кода, позволяющего быстро проводить расчеты ключевых интегралов притяжения к ядрам (NAI), двух- и трех-центровых интегралах межэлектронного отталкивания (2cERI и 3cERI), которые используются в приближенных подходах COSX и RI. Для тестирования скорости расчета NAI (интеграл притяжения к ядрам) были проведены расчеты электростатического потенциала, создаваемого электронной плотностью полиена C20H22. В расчетах использовались базисы семейства def2. Время расчета было сравнено с аналогичными расчетами, в которых использовалась библиотека расчета молекулярных интегралов LIBINT. Было показано, что разработанный программный код превосходит LIBINT по скорости расчета в 10 раз при использовании наименьшего базиса (def2-SVP) и в 8.6 раз при использовании крупного (def2-QZVP). Более подробный анализ времени расчета показал, что наибольшее ускорение (до 10.5) достигается при расчете интегралов с s-орбиталями. При увеличении орбитального момента сначала происходит спад ускорения до 4 (f-орбитали), но после этого опять происходит рост ускорения. Расчет 2cERI и 3cERI. В ходе разработки программного кода было обнаружено, что при расчете 2cERI и 3cERI возможно использование модифицированных квадратур меньшего размера, по сравнению с оригинальным подходом. Учет этой особенности был реализован в программном коде. Для тестирования скорости были проведены расчеты тензоров этих интегралов с использованием предложенного кода и с использованием LIBINT. Было показано, что предложенный код превосходит LIBINT по скорости расчета в 4 раза при рассмотрении малых базисов (def2-SVP и def2-SVP/C). Увеличение базиса приводит к уменьшению ускорения до 1.8 в случае наибольших базисов (def2-QZVP и def2-QZVP/C). Разработанный программный код доступен на github https://github.com/vvpoddubnyy/sfints. Было проведено всестороннее исследование межмолекулярных взаимодействий в ван–дер–ваальсовых комплексах, включающих димеры Ne2, (CH4)2, (CF4)2, CF4–CH4, CH4-Ne и CF4–Ne. Расчеты электронных энергий проводились в рамках теории возмущений Меллера-Плессе второго порядка (MP2). Была разработана методология для вычисления и анализа двухчастичной матрицы приведенной плотности (2RDM) и связанной с ней двухчастичной плотности. Было показано, что область вблизи минимума корреляционной составляющей 2RDM, связанная в основном с кулоновской дыркой, существенно влияет на энергии дисперсионного взаимодействия в рассматриваемых димерах. В качестве одного из следствий было обнаружено, что подход с использованием дополнительных базисных фикций, функции связи, для расчета энергий межмолекулярной корреляции существенно и последовательно повышает сходимость результатов в отношении размера базисного набора. Критически важным является размещение вспомогательные функции были размещены так, чтобы охватывать область вблизи минимума корреляционной составляющей 2RDM. Последовательные улучшения в сходимости энергий взаимодействия наблюдались, когда функции связи были сосредоточены на минимальной плотности, особенно на уровне базисов cc-pVTZ, где результаты уже были близки к пределу полного базисного набора. Это открытие согласуется с физической интуицией, согласно которой доминирующие эффекты кулоновской корреляции проявляются в областях, где локальная кулоновская дырка наиболее выражена, часто вблизи центров связей в равновесных геометриях. Для асимметричных димеров этот общий вывод был дополнительно подтвержден с помощью серии расчетов корреляционных энергий методом связанных кластеров CCSD(T). Ограниченная, но репрезентативная серия расчетов представлена для димеров пиридина и бензола, которая демонстрирует, что описанные выше связанные с дисперсией тенденции сохраняются в более сложных системах. Кроме того, эффекты, связанные с межмолекулярной электронной корреляцией, могут быть не только приблизительно оценены, но и описаны с приемлемой точностью в рамках теории возмущений. Таким образом, было предложено теоретическую основание для процедуры параметризации базисных наборов при мощи анализа парной матрицы плотности. Необходимость создания специальных базисных наборов, удовлетворяющих граничным условиям, является одной из основных проблем при анализе строение и свойств атомов и молекул, заключенных в полость. Процедура как правило включает в себя вариационную оптимизацию параметров для каждой молекулярной системы и каждого типа потенциала и размера полости. Работа членов научного коллектива была направлена на развитие альтернативных безбазисных подходов описания структуры и свойств атомов и молекул в полостях. Разработано решение проблемы с помощью вариационного квантового метода Монте-Карло, основанного на подходе нейронных сетей, который не требует базисного набора и, следовательно, может быть использован без предварительной подготовки и адаптации для широкого спектра систем и потенциалов. Этот подход особенно эффективен для расчета систем в полостях различных размеров, что важно, например при моделировании эффектов высокого давления. Решенная задача состояла в модификации доступного алгоритма нейронной сети, чтобы сделать его применимым к системам с различными видами проницаемых внешних потенциалов. На начальных этапах метод был протестирован для небольших по размеру систем, которые имеют хорошо известные решения, таких как атом водорода и атом гелия внутри ступенчатого и степенного потенциала. Далее была рассмотрена двухатомная молекула LiH со ступенчатым потенциалом и молекуле метана, на которую воздействует квадратичный потенциал. В дополнение, были проведены расчеты радиуса ионизации молекулы кислорода, помещенной в полость, ограниченную ступенчатым барьером высотой 5 а.е. – задача, решение которой с использованием гауссовых базисных наборов представляется затруднительным.
6 1 января 2026 г.-31 декабря 2026 г. Строение и динамика атомно-молекулярных систем, этап 2026 г
Результаты этапа: -
7 1 января 2027 г.-31 декабря 2027 г. Строение и динамика атомно-молекулярных систем, этап 2027 г
Результаты этапа: -

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".