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FP7

DQDprot Ergebnis in Kürze

Project ID: 330850
Gefördert unter: FP7-PEOPLE
Land: Vereinigtes Königreich

Quantenmechanische Berechnungen erklären biochemische Reaktionen

Mit einem neuen Programm zur Quantendynamikberechnung sollte man einige der Grenzen der konventionellen Quantenkerndynamik überwinden können. Das auf molekulare Systeme beliebiger Größe anwendbare Programm könnte besonders in der Biologie Bedeutung erlangen.
Quantenmechanische Berechnungen erklären biochemische Reaktionen
Die rasante Entwicklung der Molekülspektroskopie hat neue Details der Kern- und Elektronendynamik offenbart, die in Hinsicht auf die Quantentheorie erforscht werden müssen.

Die Grundgleichung, die verwendet wird, um das Teilchenverhalten auf Quantenebene zu beschreiben, ist die Schrödingergleichung. Es ist relativ unkompliziert, die zeitabhängige Schrödingergleichung rechnerisch für ein System zu lösen, das aus wenigen Kernen und ihren entsprechenden Elektronen besteht. Derartige Berechnungen werden allerdings um so schwieriger, je mehr Teilchen miteinander in Wechselwirkung treten.

Klassische Methoden sind nicht im Stande, wichtige Quanteneffekte wie Protonen-Tunneleffekte und die Dynamik in jenen Bereichen, in denen die Kern- und Elektronenbewegung stark aneinander gekoppelt ist, zu erfassen. Das Projekt DQDPROT (On-the-fly nonadiabatic quantum dynamics suitable for large biomolecules: Developing the DD-vMCG method) hat das DD-vMCG-Verfahren aktualisiert und es auf biologische Systeme angewendet, wobei das grün fluoreszierende Protein (green fluorescent protein, GFP) als Schwerpunkt dieser Studie ausgewählt wurde.

Der GFP-Wirkmechanismus beinhaltet die Absorption von blauem Licht, wobei es zum Protonentransfer im angeregten Zustand (excited state proton transfer, ESPT) kommt. Das ist der einzige bekannte ESPT, der in biologisch aktiven Molekülen auftritt, und obwohl dieser eingehend experimentell untersucht wurde, bleibt dessen Mechanismus umstritten.

Zur theoretischen Untersuchung des Fluoreszenzprozesses ist eine quantendynamische Behandlung des Mechanismus erforderlich, aber auch ein einfaches Modell muss mindestens 50 Atome betrachten, was es unmöglich erscheinen lässt, die Untersuchung mit konventionellen Verfahren vorzunehmen.

Dem DQDPROT-Projekt begegneten im Lauf seiner Entwicklung und im Vergleich mit der Beobachtung einige unerwartete Probleme. Obgleich innerhalb dieses ersten Projekts nicht alle Projektziele erreicht werden konnten, wurden doch wertvolle Verbesserungen an den Funktionseigenschaften des DD-vMCG-Programms vorgenommen.

Die Matrixhandhabung wurde robuster gestaltet. Auch die Handhabung der Datenbank der Energien, Gradienten, Steigungen und Hessematrizen wurde deutlich verbessert und ihre Leistungsfähigkeit optimiert. Ein Hessematrix-Aktualisierungsvorgang wurde implementiert, der eine weitere Beschleunigung der direkten Dynamik gestattet und für aufwändige Berechnungen des angeregten Zustands besonders wichtig ist. Somit wird ein bedeutender Fortschritt bei der dynamischen Modellierung theoretischer Reaktionen realisiert, der wichtige Anwendungen in der Chemie und der Biologie finden wird.

Die Resultate wurden zusammen mit einer gründlichen Betrachtung des aktuellen Stands des DD-vMCG-Programms in wissenschaftlichen Arbeiten in den International Reviews in Physical Chemistry und im Journal of Chemical Physics veröffentlicht.

Verwandte Informationen

Fachgebiete

Scientific Research

Schlüsselwörter

Molekülspektroskopie, Quantentheorie, Schrödingergleichung, Protonen-Tunneleffekt, Fluoreszenz
Datensatznummer: 182870 / Zuletzt geändert am: 2016-06-07
Bereich: Industrielle Technologien