Comprensione delle reazioni biochimiche mediante calcoli di meccanica quantistica
Il rapido sviluppo della spettroscopia molecolare ha rivelato nuovi dettagli delle dinamiche elettroniche e nucleari, le quali necessitano di essere comprese in termini di teoria quantistica. L’equazione principale utilizzata per descrivere il comportamento delle particelle sulla scala quantistica è l’equazione di Schrödinger. È relativamente semplice risolvere a livello numerico l’equazione di Schrödinger dipendente dal tempo per un sistema costituito da pochi nuclei e dagli elettroni corrispondenti. Tuttavia, tali calcoli diventano più complessi con l’interazione di più particelle. I metodi classici non sono in grado di catturare effetti quantistici importanti come il tunneling di protoni e le dinamiche nelle regioni in cui il movimento nucleare e l’elettronica diventano fortemente accoppiati. Il progetto DQDPROT (On-the-fly nonadiabatic quantum dynamics suitable for large biomolecules: Developing the DD-vMCG method) ha aggiornato il metodo DD-vMCG e lo ha applicato ai sistemi biologici, con la proteina fluorescente verde (GFP, green fluorescent protein) scelta come focus per questo studio. Il meccanismo d’azione della proteina GFP comporta l’assorbimento della luce blu, che causa un trasferimento protonico allo stato eccitato (ESPT, excited state proton transfer). Questo è l’unico ESPT noto che si verifica nelle molecole biologicamente attive e, anche se accuratamente studiato a livello sperimentale, il suo meccanismo rimane un aspetto del dibattito. Per studiare il processo di fluorescenza in teoria, è necessario un trattamento di dinamica quantistica relativo al meccanismo, ma per quanto semplice, un modello deve considerare almeno 50 atomi, rendendo impossibili le analisi con i metodi convenzionali. Il progetto DQDPROT ha incontrato alcuni problemi imprevisti al momento del confronto con le osservazioni. Sebbene non tutti gli obiettivi del progetto possano essere realizzati nell’ambito del progetto iniziale, sono stati apportati miglioramenti importanti nello svolgimento del programma DD-vMCG. La manipolazione della matrice è stata resa più robusta. La gestione del database di energie, gradienti e matrici hessiane è stata significativamente migliorata, e le sue prestazioni ottimizzate. È stata realizzata una procedura di aggiornamento delle matrici hessiane, consentendo un’ulteriore accelerazione della dinamica diretta e offrendo un importante aiuto per i costosi calcoli dello stato eccitato. Ciò consentirà notevoli progressi nella modellizzazione teorica relativa alla dinamica della reazione, con importanti applicazioni in chimica e biologia. I risultati, insieme a un esame approfondito dello stato attuale del programma DD-vMCG, sono stati pubblicati nei giornali International Reviews in Physical Chemistry e Journal of Chemical Physics.
