Development of a fragment-based ab initio method for the description of excited state and transport properties of polynucleotides  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
124018
Type K
Principal investigator Szalay, Péter
Title in Hungarian Fragmensekből építkező ab initio módszer fejlesztése polinukleotidok gerjesztett állapotainak és transzporttulajdonságainak leírására
Title in English Development of a fragment-based ab initio method for the description of excited state and transport properties of polynucleotides
Keywords in Hungarian kvantumkémia, DNS, gerjesztett állapot, töltéstranszport
Keywords in English Quantum chemistry, DNA, excited state, charge-transfer
Discipline
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Quantum chemistry
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Institute of Chemistry (Eötvös Loránd University)
Participants Fogarasi, Géza
Furtenbacher, Tibor
Tajti, Attila László
Starting date 2017-12-01
Closing date 2022-11-30
Funding (in million HUF) 39.080
FTE (full time equivalent) 7.28
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az elmúlt évek során saját és mások eredményei alapján is bebizonyosodott, hogy pontos és megbízható gerjesztési energiák csak költséges ab initio módszerekkel számíthatók. Ezek a módszerek nagy rendszerekre, mint amilyen pl. a DNS molekula, nem alkalmazhatók. A javasolt projekt fragmensekből felépülő módszer kidolgozását célozza, ahol a fragmenseket és a közöttük fellépő kölcsönhatásokat ab initio módszerekből számítjuk, a teljes rendszer tulajdonságait pedig a fragmensek hullámfüggvényeinek bázisán felírt mátrix diagonalizálásával kapnánk. Az ötlet nem új, léteznek már ilyen módszerek. Az újdonság, hogy gerjesztett állapotokra alkalmaznánk az eljárást úgy, hogy a fragmensek között esetlegesen fellépő töltésátmeneteket is figyelembe vennénk. Ez a módszer alkalmas lehet a polinukleotid molekulák gerjesztett állapotainak karakterizálására (Frenkel-típusú, töltésátmenet típusú, stb.) valamint, dinamikával csatolva, töltésátmeneti folyamatok leírására.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A DNS molekula elektronszerkezetével összefüggésben két kérdésre keresnénk választ. Az egyik, hogy mennyire kiterjedtek a gerjesztett állapotok a molekulalánc mentén. Egy hipotézis szerint a DNS gerjesztéssel szembeni stabilitása azzal függ össze, hogy a gerjesztett állapot delokalizációja révén a gerjesztési energia "eloszlik" a monomerek között, ezzel megakadályozva a maradandó szerkezeti változást. A másik kérdés leegyszerűsítve, hogy vezet-e elektromos áramot a DNS molekula. E hipotetikus folyamat leírása nem lehetséges csupán a szomszéd monomerek közötti töltésátmenet figyelembevételével, hanem szükséges a több monomerre kiterjedő gerjesztett (vagy ionizált) állapotok leírása is. Mindkét kérdés megválaszolása tehát olyan, a gerjesztett állapotokat pontosan leíró módszert igényel, amely elegendően nagy számú monomert és az ezek közötti kölcsönhatásokat is képes leírni. A kvantumkémia számítási arzenáljában ilyenek nincsenek, mert a számítási idő gyorsan növekszik a rendszer méretével. Ezért olyan módszer kidolgozásával próbálkoznánk e projekt keretében, amely a fragmensekből képes a teljes rendszerre vonatkozó tulajdonságokat megadni.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Mind a konkrét kérdések megválaszolása, mind pedig a kidolgozott eljárás jelentős tudományos érdeklődésre tarthatna számot. A polinukleotidok gerjesztett állapotai térbeli kiterjedésére vonatkozó megbízható eredmények egy régi vita végre tennének pontot azzal, ha szimuláció alapján megértenénk, milyen mechanizmus alapján "védekezik" a DNS az elektrongerjesztés szerkezetmódosító hatása ellen. A DNS elektromos vezetésével kapcsolatos kérdés önmagában is érdekes, alapvető tudásunkhoz járulna hozzá. Amennyiben a DNS vezet, akkor megnyílna az út molekuláris vezetékek tervezése előtt. A számítási módszerek birtokában ez a folyamat elméleti úton is vizsgálható lenne, hiszen drága (és gyakran ellentmondásos) kísérletek helyett szimulációval lehetne a vezetési tulajdonságokat optimalizálni. Mindemellett tervezhető és vizsgálható lenne különféle módosított DNS molekulák gerjesztéssel szembeni rezisztenciája is.
Nemzetközi versenytársakkal szemben a módszer kidolgozása kapcsán jelentős előny birtokában vagyunk, hiszen rendelkezünk a fragmensek leírására alkalmas, nagyon pontos számítások technológiájával. Egymással konzisztens módszerek állnak rendelkezésünkre mind a gerjesztett, mind pedig az ionizált állapotok leírására, amely elengedhetetlen feltétele a töltésátmeneti folyamatok tárgyalásának.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A DNS molekula a genetikai információ hordozója. Ennek szerkezeti változásai mutációhoz, és a legrosszabb esetben betegségekhez vezethetnek. Fontos tehát megérteni, milyen mechanizmus alapján "védekezik" a DNS molekula az UV sugárzás ellen. Egy hipotézis szerint ez a tulajdonság annak tudható be, hogy a gerjesztés során elnyelt többletenergia sok építőkövön oszlik szét, így megakadályozva a lokális változásokat. A hipotézis bizonyítása kísérleti eszközökkel csak közvetetten, így bizonytalanul lehetséges. Ezért egy olyan nagyon pontos számítási módszert dolgoznánk ki, amely a fragmenseken végzett számításokból rakná össze a teljes rendszert és jósolná annak tulajdonságait. Ugyanez a módszer arra is alkalmas lehet, hogy bebizonyítsuk, vagy éppen cáfoljunk egy másik hipotézist a DNS molekula elektromosáram-vezetésével kapcsolatban. Amennyiben a DNS molekula vezet, akár molekuláris méretű elektromos áramkörök tervezése előtt is megnyílhat az út.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Over the past years it was confirmed by our, as well as by other researchers' results that accurate and reliable excitation energies can only be obtained using expensive ab initio methods. These methods cannot be applied to large systems like, for example, the DNA molecule. The proposed project aims to design a description based on fragments, where the fragments and their interactions are calculated using ab initio methods, while the properties of the whole system are obtained by diagonalizing the matrix represented on the basis of the fragment wave functions. This is not a new idea, several such methods already exist. The novelty lies in the concept of applying this description to excited states, in a way that possible inter-fragmental charge transfers are also accounted for. Such a method would be able to characterize excited states of polinucleotide molecules (e.g. Frenkel-type, charge transfer type, etc.) reliably and, coupled with dynamics, describe charge transfer processes.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
We are seeking answers to two main questions in connection with the electronic structure of the DNA molecule. The first one is how large the spacial extension of an excited state can be along the molecular chain. According to a hypothesis, the stability of the DNA with respect to UV irradiation is in connection with the distribution of the excitation energy among the monomers by the delocalization of the excited state, which thereby prevents irreversible local structural alterations from happening.
The other question is simply if the DNA molecule can act as an electrical conductor. Describing such processes is not possible by considering vicinal intermonomer charge transfers only, but the description of excited (and ionized) states that spread over several monomers is also necessary. Thus, answering both questions requires an accurate excited state method that is able to handle enough monomers and the interactions between them. There is no such method among the current tools of quantum chemistry as the computation time grows rapidly with the system size. Therefore, in this project we attempt to design a method that is able to predict properties of the entire system by those of its fragments.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Both the answers to the mentioned questions as well as the method to be designed would be of wide scientific interest. Reliable results about the spatial distribution of excited states of polinucleotides could end a long discussion if the simulation provide understanding of the mechanism how the DNA protects itself against structural damages caused by electronic excitations. The question regarding the conductance of DNA is interesting on its own, adding to our fundamental knowledge on this system. If the DNA is be found to be conductive, it would open a possibility to design molecular wires. In possession of relevant computational tools, this process could be investigated theoretically, and the conductivity-related properties could be optimized by simulations instead of expensive (and often controversial) experiments. In addition, the resistance of various modified DNA variants against electronic excitation could also be studied.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The DNA molecule is the carrier of genetic information. Its structural alterations can lead to mutations, in the worst case, to diseases. It is thus important to understand, how the DNA molecule „protects itself” against UV radiation. One hypothesis says that this property may be attributed to a process that distributes the energy that is absorbed during excitation over several building blocks, thereby hampering local alterations. Proving this hypothesis by experimental tools is only possible indirectly and thus, uncertainly. Therefore, we aim to design an accurate computational method that builds up the whole system and predicts its properties from calculations performed on its fragments. The same method may be able to confirm or, to disprove, another hypothesis about the electrical conductance of the DNA molecule. Finding the DNA to be a conductor could open up the way to design new, molecule-sized electrical circuits.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Számos újonnan felfedezett, érdekes jelenséget ismerünk biológiai rendszerekben és kondenzált anyagokban, amelyeket távolba ható elektronátmenet magyaráz. Ezek leírása pontos és megbízható kvantumkémiai módszereket igényel, olyanokat, amelyekkel ésszerű költségek mellett nagy rendszerek is kezelhetők. Az ún. fragmens módszerek megfelelőnek tűnnek az ilyen rendszerek leírására, hiszen több „aktív” fragmens is definiálható, és ezek pontos leírásával, valamint a közöttük lévő csatolás meghatározásával a teljes rendszer tulajdonságai számíthatók nagy pontossággal. E projektben egy ilyen módszer kidolgozását tűztük ki célul, különös tekintettel molekulák gerjesztett állapotaira. Ebben a) magas szintű elektronszerkezet módszereket alkalmazunk; b) kiszámítjuk a fragmensek közötti pontos kölcsönhatási energiát; c) figyelembe vesszük a fragmenseken lokalizált gerjesztett állapotok közötti exciton csatolást. A fent említett jelenségekben az exciton csatolás mellett a töltésátviteli állapotok és az elektronátvitel is fontos szerepet játszhat. Ezért egyrészt (bár a CT állapotokat még nem tudtuk bevonni az új modellbe) összehasonlítottuk a CT állapotok és potenciális energiafelületeik számítására alkalmas elektronszerkezet módszereket, amely fontos információkat adott a módszerek megbízhatóságáról és a vegyérték-CT csatolás természetéről. Másrészt kidolgoztuk az elektrontranszfer kémia-inspirált modelljét, amelyet fragmens módszerekkel is használni lehet majd.
Results in English
There are several newly discovered, interesting phenomena which are explained by electron transfer to distant regions in biological systems and materials. The explanation requires accurate and reliable quantum chemical methods which can also treat large systems with reasonable costs. Fragment methods could be the preferred approach, where several “active” centers can be handled at a high level of theory and the property of the entire system is calculated from that of the individual fragments, considering proper coupling terms between them. In this project we aimed to develop such methodology, in particular for excited states of the molecules. We have developed methods which a) use high level electronic structure theory; b) calculate accurate interaction energy between the fragments; c) includes the excitonic coupling between excited states localized on the fragments. Beside the excitonic coupling, Charge Transfer (CT) states and electron transfer may also play important role in the above-mentioned phenomena. Therefore, on the one hand (although we were not yet able to include CT states in the new model), we have carefully benchmarked the electronic structure methods for CT states and for their potential energy surfaces which gave us important information on the reliability of methods, and on the nature of the valence-CT coupling. On the other hand, we developed a chemistry-oriented model of electron transfer, which later could be used also with fragment methods.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=124018
Decision
Yes





 

List of publications

  
Bónis Barcza, Adám B. Szirmai, Katalin J. Szántó, Attila Tajti, Péter G. Szalay: Comparison of approximate intermolecular potentials for ab initio fragment calculations on medium sized N-heterocycles, Journal of Computational Chemistry, submitted, 2022
Tajti Attila, Kozma Balázs, Szalay Péter G: Improved Description of Charge-Transfer Potential Energy Surfaces via Spin-Component-Scaled CC2 and ADC(2) Methods, JOURNAL OF CHEMICAL THEORY AND COMPUTATION 17: (1) pp. 439-449., 2021
Barcza Bónis, Szirmai Ádám B., Szántó Katalin J., Tajti Attila, Szalay Péter G.: Comparison of approximate intermolecular potentials for ab initio fragment calculations on medium sized N‐heterocycles, JOURNAL OF COMPUTATIONAL CHEMISTRY 43: (16) pp. 1079-1093., 2022
Hégely Bence, Szirmai Ádám B, Mester Dávid, Tajti Attila, Szalay Péter G, Kállay Mihály: Performance of Multilevel Methods for Excited States, JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY A 126: (37) pp. 6548-6557., 2022
Shaalan Alag Ahmed, Jelenfi Dávid P., Tajti Attila, Szalay Péter G.: Accurate Prediction of Vertical Ionization Potentials and Electron Affinities from Spin-Component Scaled CC2 and ADC(2) Models, JOURNAL OF CHEMICAL THEORY AND COMPUTATION 18: (11) pp. 6794-6801., 2022
Jelenfi David P., Tajti Attila, Szalay Peter G.: First-principles interpretation of electron transport through single-molecule junctions using molecular dynamics of electron attached states, MOLECULAR PHYSICS, 119 (21-22) e1999518, 2021
Tajti Attila, Kozma Balázs, Szalay Péter G: Improved Description of Charge-Transfer Potential Energy Surfaces via Spin-Component-Scaled CC2 and ADC(2) Methods, JOURNAL OF CHEMICAL THEORY AND COMPUTATION 17: (1) pp. 439-449., 2021
Hans Lischka, Ron Shepard, Thomas Müller, Péter G. Szalay, et al.: The Generality of the GUGA MRCI Approach in COLUMBUS for Treating Complex Quantum Chemistry, Journal of Chemical Physics, submitted, 2020
Balázs Kozma, Attila Tajti, Róbert Izsák, Marcel Nooijen, Péter G. Szalay: Accuracy of Coupled Cluster excitation energies for charge transfer states, Journal of Chemical Theory and Computation, to be submitted, 2020
Devin A. Matthews, Lan Cheng, Michael E. Harding, Filippo Lipparini, Stella Stopkowicz, Thomas-C. Jagau, Péter G. Szalay, Jürgen Gauss, John F. Stanton: Coupled Cluster Techniques for Computational Chemistry: the CFOUR Program Package, Journal of Chemical Physics, submitted, 2020
Balazs Kozma, Attila Tajti, Baptiste Demoulin, Robert Izsak, Marcel Nooijen, Peter G. Szalay: A New Benchmark Set for Excitation Energy ofCharge Transfer States: Systematic Investigationof Coupled-Cluster Type Methods, JOURNAL OF CHEMICAL THEORY AND COMPUTATION 2020: pp. A-M., 2020
Kozma Balázs, Berraud-Pache Romain, Tajti Attila, Szalay Péter G.: Potential energy surfaces of charge transfer states, MOLECULAR PHYSICS e1776903, 2020
Lischka H, Shepard R, Muller T, Szalay PG, Pitzer RM, Aquino AJA, do Nascimento MMA, Barbatti M, Belcher LT, Blaudeau JP, Borges I, Brozell SR, Carter EA, Das A, Gidofalvi G, Gonzalez L, Hase WL, Kedziora G, Kertesz M, Kossoski F, Machado FBC, Matsika S, do Monte SA, Nachtigallova D, Nieman R, Oppel M, Parish CA, Plasser F, Spada RFK, Stahlberg EA, Ventura E, Yarkony DR, Zhang ZY: The generality of the GUGA MRCI approach in COLUMBUS for treating complex quantum chemistry, JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS 152: (13) 134110, 2020
Matthews Devin A., Cheng Lan, Harding Michael E., Lipparini Filippo, Stopkowicz Stella, Jagau Thomas-C., Szalay Péter G., Gauss Jürgen, Stanton John F.: Coupled-cluster techniques for computational chemistry: The CFOUR program package, JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS 152: (21) 214108, 2020
Tajti Attila, Kozma Balázs, Szalay Péter G: Improved Description of Charge-Transfer Potential Energy Surfaces via Spin-Component-Scaled CC2 and ADC(2) Methods., JOURNAL OF CHEMICAL THEORY AND COMPUTATION, 2020
Bónis Barcza, Ádám B. Szirmai, Attila Tajti, John F. Stanton, Péter G. Szalay: Definition and benchmarking of ab initio fragment methods for accurate excimer potential energy surfaces, Journal of Chemical Theory and Computations, 2023




 

Events of the project

  
2021-03-23 15:01:05
Résztvevők változása



Back »