Badanie reakcji biochemicznych dzięki obliczeniom z zakresu mechaniki kwantowej Nowy program służący do obliczeń dynamiki kwantowej powinien pozwolić na przezwyciężenie pewnych ograniczeń konwencjonalnej kwantowej dynamiki jądrowej. Może on być stosowany do systemów molekularnych dowolnej wielkości i jest szczególnie przydatny w biologii. Technologie przemysłowe © Shutterstock Szybki rozwój spektroskopii molekularnej umożliwił poznanie nowych szczegółów dynamiki jąder i elektronów, które trzeba zrozumieć w kontekście teorii kwantowej. Do opisu zachowania cząstek w skali kwantowej stosuje się przede wszystkim równanie Schrödingera. Stosunkowo łatwo jest rozwiązać zależne od czasu równanie Schrödingera w sposób numeryczny dla układu składającego się z kilku jąder i odpowiadających im elektronów. Obliczenia takie stają się jednak trudne w przypadku interakcji większej liczby cząstek. Metody klasyczne nie pozwalają na uchwycenie ważnych efektów kwantowych, takich jak tunelowanie protonu czy dynamika obszarów, w których ruch jąder i elektronów jest silnie sprzężony. Uczestnicy projektu DQDPROT (On-the-fly nonadiabatic quantum dynamics suitable for large biomolecules: Developing the DD-vMCG method) udoskonalili metodę DD-vMCG i zastosowali ją do systemów biologicznych, wybierając zielone białko fluorescencyjne (GFP) jako główny przedmiot badania. Mechanizm działania GFP obejmuje absorpcję światła niebieskiego, co powoduje transfer protonów w stanie wzbudzonym (ESPT). Jest to jedyny znany ESPT występujący w biologicznie aktywnych cząsteczkach i choć został on dokładnie zbadany eksperymentalnie, jego mechanizmy nie są do końca określone. Aby zbadać proces fluorescencyjny w sposób teoretyczny, potrzebne jest podejście oparte na dynamice kwantowej, jednak nawet prosty model musi uwzględniać co najmniej 50 atomów, przez co nie da się badać go przy pomocy metod konwencjonalnych. Uczestnicy projektu DQDPROT napotkali pewne nieoczekiwane problemy po opracowaniu modelu i porównaniu go z obserwacjami. Mimo że nie udało się zrealizować wszystkich pierwotnych założeń, uczeni usprawnili znacząco działanie programu DD-vMCG. Udoskonalono między innymi przetwarzanie macierzy. Znacząco usprawniono też obsługę bazy danych dotyczących energii, gradientów i hesjanów oraz zoptymalizowano jej działanie. Wdrożono procedurę aktualizacji hesjanów, co pozwala na dalsze przyspieszenie bezpośredniej dynamiki oraz ma szczególne znaczenie dla wymagających obliczeń stanów wzbudzonych. Umożliwi to dokonanie znaczących postępów w teoretycznym modelowaniu reakcji dynamicznych, znajdującym ważne zastosowania w chemii i biologii. Wyniki tych prac, wraz ze szczegółowym przeglądem aktualnego stanu programu DD-vMCG, opisano w artykułach opublikowanych na łamach czasopism International Reviews in Physical Chemistry oraz Journal of Chemical Physics. Słowa kluczowe Spektroskopia molekularna, teoria kwantowa, równanie Schroedingera, tunelowanie protonu, fluorescencja
