Kombinierte quantenmechanische/molekülmechanische Methoden (QM/MM)

In diesem Forschungsgebiet ging es um Hybridansätze für große Systeme, bei denen das aktive Zentrum durch ein geeignetes quantenmechanisches Verfahren und die Umgebung durch ein klassisches Kraftfeld beschrieben wurde. Der QM/MM Ansatz erlaubt eine maßgeschneiderte Modellierung komplexer Systeme, wobei der Rechenaufwand auf den chemisch relevanten Teil fokussiert ist. In diesem Projekt galt ein wesentlicher Teil der Aktivitäten der Gruppe der Entwicklung verbesserter Methoden und Software. Bei den Anwendungen konzentriere sich das Team auf die Biokatalyse, insbesondere auf das mechanistische Verständnis enzymatischer Reaktionen und den Einfluss der Proteinumgebung auf die Reaktivität.

Methodische Beiträge betrafen:

  • die Definition geeigneter QM/MM Kopplungsschemata (Embedding),
  • den Einsatz hochkorrelierter ab initio Methoden als QM Komponente,
  • den Einsatz polarisierbarer  Kraftfelder vom Drude-Typ als MM Komponente,
  • die Entwicklung spezieller Techniken für QM/MM Geometrieoptimierungen,
  • die Implementierung von Methoden für QM/MM Freie-Energie-Rechnungen,
  • die Entwicklung von Multiskalenverfahren (QM/MM/Kontinuum),
  • die Erweiterung der QM/MM Methodik auf elektronisch angeregte Zustände,
  • die Implementierung des QM/MM-basierten Quanten-Refinements für die Röntgenstrukturanalyse von Proteinen,
  • die Entwicklung einer modularen QM/MM Softwareumgebung (ChemShell).

Auch wenn die QM/MM Technologie auf eine Vielzahl komplexer Systeme angewendet werden kann, interessierte das Team sich hauptsächlich für enzymatische Reaktionen. In den letzten Jahren befasste es sich insbesondere mit der Biokatalyse durch Häm-Enzyme (z.B. Cytochrom P450), Molybdopterin-Enzyme (z.B. Xanthin-Oxidase), Cysteinproteasen, Fluorinasen, Lipasen, Chorismat-Mutase, p-Hydroxybenzoat-Hydroxylase und Cyclohexanon-Monooxygenase. Daneben untersuchte die Gruppe die spektroskopischen Eigenschaften von Proteinen mit QM/MM Methoden, beispielsweise die Raman-Spektren von Phycocyanin, die NMR-Spektren von Vanadium-haltigen Haloperoxidasen und die Elektronenspektren von fluoreszierenden Proteinen. Surface hopping QM/MM Simulationen erlaubte darüber hinaus das Studium der Dynamik von elektronisch angeregten Chromophoren unter Einbeziehung der Umgebung.

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