 |
Banchmark calculations for identifying reliable quantum chemical components for QM/MM and fragment based methods
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
124293 |
| Type |
KH |
| Principal investigator |
Szalay, Péter |
| Title in Hungarian |
Biológiai makromolekulák leírásához használt QM/MM és fragmens alapú módszerek kvantumkémiai összetevőire vonatkozó referenciaszámítások elvégzése |
| Title in English |
Banchmark calculations for identifying reliable quantum chemical components for QM/MM and fragment based methods |
| Keywords in Hungarian |
kvantumkémia, biomolekulák tulajdonságai, QM/MM, fragmens módszerek |
| Keywords in English |
quantum chemistry, properties of biomolecules, QM/MM, fragment based methods |
| Discipline |
| Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Physical chemistry |
|
| Panel |
Natural Sciences Committee Chairs |
| Department or equivalent |
Institute of Chemistry (Eötvös Loránd University) |
| Participants |
Tajti, Attila László
|
| Starting date |
2017-10-01 |
| Closing date |
2019-09-30 |
| Funding (in million HUF) |
19.998 |
| FTE (full time equivalent) |
1.07 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Rengeteg megválaszolatlan kérdés van a biológiai makromolekulák tulajdonságaival kapcsolatban. Ezek vizsgálata csak közelítő módszerekkel lehetséges: minél nagyobb a molekula, annál durvább közelítéseket kell tennünk. A legpontosabb módszereink már jól alkalmazhatók e nagy rendszerek építőköveire, így logikusan ezeken lehet a nagyobb rendszereken használható, közelítő módszereket kalibrálni. A pályázatban való részvételemet lehetővé tevő cikk e célból magasszintű referenciaértékeket tesz közzé molekulák gerjesztési energiájára és átmeneti momentumára vonatkozóan. A "méretnövelés" azonban nem csak kvantumkémiai módszer lebutításával lehetséges, hanem úgy is, hogy az építőkövekből rakjuk össze, azok esetlegesen különböző szinten történő leírását is megengedve. Az ún. QM/MM módszerek esetén különválasztjuk a kvantumosan leírt részt (ahol a folyamat történik), valamint a "környezetet", az előbbit kvantummechanikai, az utóbbit molekulamechanika szinten. A fragmens módszerek ezzel szemben több kvantumosan leírt építőkőből rakják össze a teljes rendszert.
Jelen projektben, a sikeres fogadtatású cikkünk kiterjesztéseként olyan, nagy pontosságú referenciértékeket kívánunk meghatározni, amely segíteni fog kutatótársainknak (de nekünk is, l. K-124018 sz. pályázat) a QM/MM, valamint a fragmens módszerekben használt kvantumkémiai módszerek kiválasztásában.
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 kutatás alapkérdése, hogy mely módszerek alkalmasak arra, hogy QM/MM, illetve fragmens típusú módszerekben a kvantummechanikai rész megbízható leírásra használjuk. Ehhez nem csak módszerek izolált molekulákon, statikus helyzetben való teljesítőképességére van szükség (pl. gerjesztési energia, átmeneti momentum), hanem potenciálfelület alakjával, környezettel való kölcsönhatást befolyásoló paraméterekkel (mint például töltéseloszlás, dipólusmomentum), valamint töltéstranszportot meghatározó mennyiségekkel (mint például az (átmeneti) sűrűségmátrix alakja, ionizációs energia, elektronaffinitás) kapcsolatos pontosságra is. Azt is fel kell térképezni, hogy az egyes módszerek esetén hogyan befolyásolja a gerjesztési energia és átmeneti momentum pontosságát, ha a környezetet pl. pontöltésekkel figyelembe vesszük. Ezekhez a kérdésekhez szeretnénk igen pontos, magasszintű kvantumkémiai módszerekkel meghatározott referenciaértékeket számítani, és ez alapján elvégezni a közelítő módszerek analízisét.
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!
A kutatás jelentősége az lenne, hogy referenciaértékeink birtokában mód nyílik a kvantumkémiai módszerek teljesítőképességének tesztelésére nem csak a gerjesztési energia és átmeneti momentum alapján, hanem arra nézve is, hogy a) a módszerek mennyire adják vissza a potenciálfelület alakját (dinamikai számítások miatt fontos), és b) mennyire alkalmasak az adott módszer QM/MM és fragmens típusú módszerekben az építőkövek közötti kölcsönhatások és töltésátmenet leírására. Ezzel megnyílik az út arra, hogy a nagy rendszerek leírásakor a legmegfelelőbb kvantumkémiai módszert válasszuk ki, de egyben a hibák analízisével arra is, hogy az elvárásoknak megfelelő új módszereket dolgozhassunk ki. Mindezek alapján biológiailag fontos makromolekulák eddigieknél sokkal megbízhatóbb leírását érhetjük el és megválaszolhatunk olyan fontos kérdéseket, amelyek ezen molekulák stabilitásával, funkciójával, különleges tulajdonságaival (pl. áramvezetés) függnek össze.
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, a sejtek működésével, az alkotók reprodukciójával kapcsolatos folyamatok résztvevője. E folyamatok egy része kvantummechanikai leírást kíván, azonban ezek nagy költsége miatt egy teljes DNS molekulára való alkalmazásuk kilátástalan. Ezért olyan módszereket használunk, melyek a rendelkezésre álló kvantummechanikai módszerekkel már kezelhető méretű alkotóelemekből épülnek fel. Jelen projektben a megfelelő kvantummechanikai módszer kiválasztásához kívánunk segítséget nyújtani. Reményeink szerint ezzel olyan eszközökhöz jutunk, melyekkel biológiailag fontos makromolekulák eddigieknél sokkal megbízhatóbb leírását érhetjük el és megválaszolhatunk olyan fontos kérdéseket, amelyek ezen molekulák stabilitásával, funkciójával, különleges tulajdonságaival (pl. áramvezetés) függnek össze.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
There are numerous unanswered questions about the properties of biological macromolecules. Investigation of these questions is possible only by approximate methods: the larger the molecule the coarser approximations should be used. The most accurate methods of quantum chemistry can be used quite fairly to the building blocks of these large systems, so logically the approximate methods designed for larger systems should be calibrated on these small elements.
The article that makes my participation in this call possible publishes high level reference values for excitation energies and transition moments of molecules. Calculation on larger systems, though, is possible not only by simplification of the quantum chemistry methods, but also by assembling the large systems from building blocks, permitting different level description of individual elements. In case of the so-called QM/MM methods the quantum mechanical part (where the process takes places) is separated from its „environment”. The former is described by quantum methods, the latter at molecular mechanics level. Fragment methods, on the other hand, assemble the complete system from basic elements characterized by quantum methods.
In the present project, as an extension of our most cited paper we would like to determine highly accurate reference values, which would help our fellow researchers (and also us, see. grant No.K-124018) to select the appropriate quantum chemistry methods used in QM/MM and the fragment methods.
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.
The main question of this research is which methods are suitable to use for reliable description of the quantum mechanics part in QM/MM and fragment methods. We need not only high quality results for isolated molecules and in static environment (e.g. for excitation energy, transition moment), but also for properties like the shape of the potential surface, parameters influencing interaction with the surroundings (such as charge distribution, dipole moment), as well as quantities determining charge transport (like the shape of the transition density matrix, ionization energy, electron affinity, etc.). We also should explore how in the individual methods the accuracy of excitation energy and transition moment is influenced if we take into consideration the environment e.g. by point charges. We would like to calculate reference values determined by highly accurate, high level quantum chemistry methods to answer these questions and perform the analysis of approximate methods based on these values.
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.
The significance of this research will be that by having the accurate reference values we will be able to test the performance of the quantum chemistry methods by not only for excitation energies and transition moments, but also regarding a) how these methods describe the shape of the potential surface (it is important for dynamics calculations) and b) to what extent these methods can be used in QM/MM or fragment schemes for the description of interactions and charge transfer between elements. This would allow us to select the best quantum chemistry method for the description of large systems, but also would enable us to analyze errors and eventually develop new methods that fulfill our expectations of quality. Thus, we can achieve a far more reliable description of biologically important macromolecules than before and can answer important questions related to the stability, function and special characteristics (such as electrical conductivity).
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.
DNA molecule is the carrier of genetic information and involved in processes related to the function of cells and the reproduction of its materials. Part of these processes requires quantum mechanical description, but the application of such methods for the whole molecule is not feasible due to the high cost. Therefore, we use methods which build up the system from smaller parts which already can be studied by the quantum chemistry methods we have. In the present project, we aim at helping in the selection of the proper quantum chemistry method. We hope that we can create tools that can be used for far more reliable description of biologically important macromolecules and can answer important questions about the stability, function, and special characteristics (electric conductivity) of these molecules.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
