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 Pershin, Anton Pillió, Zoltán Pillió, Zoltán Pillió, Zoltán Tajti, Attila László
Starting date
2013-02-01
Closing date
2018-01-31
Funding (in million HUF)
33.193
FTE (full time equivalent)
6.49
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A kutatás célja, hogy magasszintű kvantumkémiai módszerekkel vizsgáljuk a DNS molekula vezetőképessége leírása szempontjából fontos néhány fizikai paramétert, úgy mint gerjesztési energia és elektrontranszferre jellemző csatolási állandó, stb.
Legújabb kutatásaim megmutatták, hogy az ún. Coupled-Cluster módszerek alkalmasak nukleobázisok és ezek komplexei gerjesztett állapotának minden eddiginél pontosabb leírására. E tapasztalatokra támaszkodva szeretnénk a DNS vezetőképessége szempontjából lényeges paramétereket meghatározni ezen magasszintű módszerekkel, így biztosítva referenciadatokat további kutatásokhoz.
A számított adatokat két módon is lehet használni. Egyrészt a vezetőképesség modelljeiben közvetlenül felhasználhatók, segítve a folyamat pontosabb megértését, ezen keresztül jobb molekuláris vezetők tervezését. Másrészt a referenciaadatok felhasználásával közelítő kvantumkémiai módszerek dolgozhatók ki, illetve kalibrálhatók, amelyek a mostaninál pontosabb eredményeket adhatnak és alkalmazhatók nagyobb rendszerekre is. A tervezett kutatás fontos részét képezné ilyen közelítő módszerek kidolgozása.
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 vezetőképessége modellezéséhez szükséges annak ismerete, hogyan "ugrik" át a töltés a DNS-t alkotó nukleobázisok között és e folyamatot hogyan lehet kvantitatíven jellemezni. A DNS alkotóelemeire végzett kutatásaim megmutatták, hogy a leggyakrabban alkalmazott közelítő módszerek nem alkalmasak e molekulák és komplexeik gerjesztett állapotainak kvantitatív jellemzésére, különös tekintettel a töltésátviteli állapotokra. Ez utóbbiak természetesen lényegesek a vezetőképesség szempontjából, így jogosnak tűnik az a feltételezés, hogy ezen közelítő számítások nem adnak kielégítő eredményt. A módszerek és számítógépek fejlődése mára lehetőséget teremtett a legpontosabb, ún. Coupled-Cluster kvantumkémiai módszerek bevetésére e probléma tárgyalására, mellyel a további kutatások szempontjából fontos referenciaadatok határozhatók meg.
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 tervezett kutatásoktól azt várjuk, hogy a DNS vezetőképességével kapcsolatban minden eddiginél pontosabb paramétereket, ún. csatolási állandókat sikerül meghatározni. Ezeket egyrészt közvetlenül lehet használni a DNS vezetőképességére felállított modellekben, másrészt az eredmények referenciaként szolgálhatnak olyan közelítő kvantumkémiai módszerek kidolgozásához is, amelyek a DNS nagyobb egységeire is alkalmazhatóak lesznek.
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. Watson és Crick a DNS szerkezetének meghatározásával új távlatokat nyitottak a molekuláris biológiában. A közvéleményt is foglalkoztatják a genetikai kód megfejtésére, illetve ezen kód módosulására visszavezethető betegségekre irányuló kutatások. Ezek az elmúlt években olyan érdekes kutatási irányokkal egészültek ki, mint a DNS-szerű szerkezetekből előállítható nanorendszerek szintézise, illetve a DNS vezetőképességén alapuló molekuláris számítógépek tervezése.
A tervezett kutatás ez utóbbihoz kapcsolódik, és arra irányul, hogy a kvantummechanika segítségével a DNS vezetőképességéhez köthető folyamatok alapjait nagypontosságú kvantumkémiai számítások alapján értelmezni tudjuk. A pályázó maga is részt vett olyan számítógépes programrendszerek kidolgozásában, melyekkel e rendkívül drága számítások már elvégezhetőek.
A cél az, hogy a pontos adatok birtokában a DNS elektronvezetésének eddigieknél megbízhatóbb modelljét alkossuk meg, ezzel segítve a molekuláris számítógépek szempontjából ideális DNS láncok tervezését.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The aim of the proposed research is to describe the physical properties related to electron transfer in DNA by high level quantum chemical methods. Properties such as excitation energy, transfer integral etc. will be calculated.
Our recent research showed that the so called Coupled-Cluster methods are capable of describing the excited states of nucleobases and their complexes very accurately. Based on this experience, we plan to calculate parameters describing electron transfer in DNA using these high level methods.
The results of these calculations could be utilized in two ways. First, the calculated parameters could be used in electron transfer models to understand the details of these processes and eventually to help in designing better molecular conductors. Second, the high level results can be compared to those obtained with approximate methods and by this one can design or calibrate new methods which are not too expensive to be applied on larger systems. Essential part of the proposed research will deal with this latter point, as well.
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. To model the conductivity of DNA one has to know how the charge "jumps" between the nucleobases forming the DNA and how this process can be described quantitatively. Our earlier research on the building blocks of DNA showed that the standard approximate methods are not capable of describing these molecules quantitatively and their complexes, in particular in case of charge transfer states. These are, however, essential from the point of view of conductivity, therefore one has to assume that these approximate methods do not give accurate results for the studied properties. The advances in methods and computers allow us to apply the most accurate Coupled-Cluster quantum chemical methods for these problems, which can deliver essential reference data to support future investigations.
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 planned research should deliver highly accurate parameters describing the conductivity of DNA which could not be obtained earlier. These can be used directly in models describing the conductivity but the results can also serve as reference data in calibrating and developing approximate methods applicable for even larger parts of DNA.
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 groundbreaking discovery of the structure of DNA by Watson és Crick opened new horizons in molecular biology. Even the public follows closely the research aiming to solve the genetic code or study of diseases due to alteration of the sequence of DNA. In the last years these topics have been extended to other fields such as the synthesis of DNA-based nano-structures and their potential application for constructing molecular computers, or microelectronics based on the conductivity of DNA.
The planned research is related to the latter effort and aims to obtain high-accuracy results on the physical parameters of the conductivity of DNA based on high level quantum chemical calculations on its building blocks. The applicant was also involved in the development of methods and computer programs which enable us to perform these rather expensive calculations.
The goal is to create a reliable model of the conductivity of DNA which can help designing better conducting DNA sequences, eventually leading to molecular computers.
Final report
Results in Hungarian
A project célja az volt, hogy a DNS építőelemeire alkalmazható módszereket dolgozzunk ki az elektrongerjesztett állapotok és töltés transzport folyamat leírására.
A munka legsikeresebb része, hogy benchmark adatbázis építettünk fel, amellyel kvantumkémiai módszerek teljesítőképessége vizsgálható és összehasonlítottunk több másodrendű módszert különös tekintettel a fellépő hibák eredetére. Sajnos ezek egyike sem képes egyszerre leírni a különböző típusú (vegyérték, Rydberg, töltésátmeneti) gerjesztett állapotokat.
Új eljárást javasoltunk a töltésátmeneti integrál számítására, amely a transzport tulajdonságok leírásához szükséges legfontosabb mennyiség. Megmutattuk, hogy az ionizált állapotok megfelelő kezelésével - ezt az ún. kontinuum pályák használatával értük el - az átmenti integrál hibája egy nagyságrenddel csökkenthető. A számításkor használt képlettel kapcsolatban pedig azt mutattuk meg, hogy az általunk javasolt Taylor-sorfejtésen alapuló módszer vonzó alternatívát jelent az "egzakt" számításokkal szemben, hiszen a számítási idő jelentősen csökken.
A tizenkét publikált, valamint az egy előkészület alatt lévő közlemény nagyban kielégíti a projekt céljait. Az eredmények közelebb hoztak minket ahhoz, hogy a DNS építőelemeinek elektronszerkezetét megértsük, és különösen sok módszertani kérdést válaszolnak meg.
Results in English
The aim of the project was to develop methods for investigation of the electronically excited states and charge transport phenomena applicable for DNA building blocks.
The most successful part of the work was that we established benchmark data to characterize the power of quantum chemical methods and compared several second order methods term by term with respect to their failure. Unfortunately, none of them seems to give good description of all type of excited states, i.e. valence, Rydberg or charge transfer types at the same time.
We have also suggested new ways to calculate the charge transfer integral, the most relevant quantity to describe transfer properties. We demonstrated that a proper treatment of the involved ionized states, achieved by applying the continuum-orbital strategy, reduces the error of the transfer integrals by one order of magnitude. As of the formula used, we have also showed that the new Taylor expansion scheme represents an attractive alternative to the "exact" calculations due to a substantial reduction of computational costs.
The twelve papers published together with the one in preparation largely fulfill the goals of the project. The results obtained brought us closer to the understanding of the electronic structure of DNA building blocks and in particular answered several methodological questions.
Benda Zsuzsanna, Szalay Peter G: Characterization of the Excited States of DNA Building Blocks: a Coupled Cluster Computational Study, PHYS CHEM CHEM PHYS 18: 23596-23606, 2016
P.G. Szalay; Watson T; Perera A; Lotrich V; Bartlett RJ: Benchmark Studies on the Building Blocks of DNA. 3. Watson-Crick and Stacked Base Pairs, Journal of Chemical Physics A, 117: (15) pp. 3149-3157, 2013
P.G. Szalay: Can coupled-cluster methods be used to describe excited states of the building blocks of DNA?, INTERNATIONAL JOURNAL OF QUANTUM CHEMISTRY 113: (14) pp. 1821-1827., 2013
Bastien Mussard, Péter G Szalay, and Janos G Angyan: Analytical Energy Gradients in Range-Separated Hybrid Density Functional Theory with Random Phase Approximation, J Chem Theory Comput, vol. 10 (5), pp. 1968-1979, 2014
Dániel Kánnár and Péter G Szalay: Benchmarking Coupled Cluster methods on singlet excited states of nucleobases, J Mol Model, vol. 20 (11) 2053, 2014
Anton Pershin, Péter G Szalay: Development of highly accurate approximate scheme for computing the charge transfer integral, J CHEM PHYS 143:, 2015
Fogarasi Geza, Szalay Peter G: Quantum chemical MP2 results on some hydrates of cytosine: Binding sites, energies and the first hydration shell, PHYS CHEM CHEM PHYS 17: 29880-29890, 2015
Pershin A, Szalay PG: Improving the Accuracy of the Charge Transfer Integrals Obtained by Coupled Cluster Theory, MBPT(2), and TDDFT, J CHEM THEORY COMPUT 11: (12) 5705-5711, 2015
Pershin A, Szalay PG: Improving the Accuracy of the Charge Transfer Integrals Obtained by Coupled Cluster Theory, MBPT(2), and TDDFT, J CHEM THEORY COMPUT 11: (12) 5705-5711, 2015
Kánnár Dániel, Tajti Attila, Szalay Peter G: Accuracy of Coupled Cluster excitation energies in diffuse basis sets, J CHEM THEORY COMPUT 13: (1) 202-209, 2017
Benda Zsuzsanna, Szalay Peter G: Characterization of the Excited States of DNA Building Blocks: a Coupled Cluster Computational Study, PHYS CHEM CHEM PHYS 18: 23596-23606, 2016
Tajti A, Szalay PG: Investigation of the Impact of Different Terms in the Second Order Hamiltonian on Excitation Energies of Valence and Rydberg States, J CHEM THEORY COMPUT 12: (11) 5477-5482, 2016
