popularyzatorski opis rezultatów projektu

Nr wniosku: 147892, nr raportu: 7046. Kierownik (z rap.): dr hab. Jacek Grzegorz Korchowiec
Wirtualna rzeczywistość w coraz większym stopniu wkracza w codzienne życie
człowieka. Na poziomie molekularnym ma to już miejsce od dziesięcioleci. Wielkie sukcesy na
tym polu odniosły metody ab initio wywodzące się z chemii kwantowej. Te ze względu na
złożoność obliczeniową są zwykle stosowane w układach molekularnych złożonych z setek
atomów. Układy, które interesują chemików i biochemików są zdecydowanie większe. Ich
teoretyczny opis związany jest z wykorzystaniem prostszych modeli obliczeniowych, np. metody
klasycznej dynamiki molekularnej (MD). Metody MD wykorzystują prostą funkcję, tzw. pole
siłowe, do opisu oddziaływań pomiędzy atomami w układzie. Funkcja ta zależy od szeregu
parametrów, które wyznacza się z obliczeń kwantowo-chemicznych, natomiast jej wykorzystanie
zakłada przenaszalność parametrów pola siłowego na „podobne chemicznie” układy
molekularne.
Jedną ze składowych pola siłowego jest energia oddziaływania elektrostatycznego. W
statycznych polach siłowych rozkład ładunków jest niezmienniczy. Jest to duże uproszczenie
dlatego w projekcie wykorzystano analizę podatnościową rozkładu ładunków (CSA, Charge
Sensitivity Analysis) do wyznaczenia chwilowych rozkładów ładunków. Wykorzystując
algorytmy genetyczne znaleziono optymalne elektroujemności i twardości atomowe dla szeregu
różnych analiz populacyjnych w rozdzielczości atomów pola siłowego AMBER i CHARMM.
Proces optymalizacji parametrów przeprowadzono na zbiorze cząsteczek uczących, natomiast
przenaszalność uzyskanych parametrów zbadano na zbiorze cząsteczek weryfikujących model.
Ponadto przeprowadzono niezależną weryfikację w rozdzielczości atomowej dla wybranych
układów reakcyjnych (kompleksy inkluzyjne, pary zasad azotowych) oraz w rozdzielczości
lokalnej, wprowadzając pomocnicze pole elektrostatyczne do obliczeń ab initio wywodzących
się z technik fragmentacyjnych (np. metoda wydłużania). Opracowany formalizm zastosowano
do opisu różnorodnych procesów, np. izomeryzacja cis/trans w wodnym roztworze Nmetyloacetamidu, ,charakterystyka filmów powierzchniowych na granicy faz woda/powietrze.
Poza rozkładem ładunków, CSA generuje szereg podatności molekularnych, które mogą
być wykorzystane do budowy dynamicznych modeli QSAR (Qualitative Structure Activity
Relationship) łączących reaktywność ze strukturą. Wykorzystując podatności molekularne
scharakteryzowano kompleksy inkluzyjne cyklodekstryny oraz aktwnośc zasad azotowych w
DNA. Dużo uwagi poświęcono poszukiwaniu odpowiednich detektorów wiązań chemicznych.
Pokazano, że funkcja Fukuiego przeniesienia ładunku oraz elementy macierzy polaryzacji
(liniowej odpowiedzi) są czułymi detektorami wiązań chemicznych. Parametry te można
wykorzystać do stworzenia reaktywnych pól siłowych.
Wyniki prowadzonych badań zostały opublikowane w czasopismach o obiegu
międzynarodowym. Opracowana parametryzacja metody CSA jest dostępna społeczności
naukowej. Ponadto, zespół realizujący projekt udostępnia przygotowane w ramach projektu
oprogramowanie do CSA. Oprogramowanie to może zostać wykorzystane tak do analizy
trajektorii MD jak i może zostać sprzężone z obliczeniami MD. O wpływie wykonanych prac na
rozwój dziedziny będzie można powiedzieć coś więcej dopiero w perspektywie kilkuletniej. W
tym celu podjęto szereg działań marketingowych, tzn. analiza podatnościowa rozkładu ładunków
w rozdzielczości atomów pola siłowego była prezentowana na szeregu konferencjach
naukowych. Liczymy, że podjęte działania przyczynią się do popularyzacji rozwijanej
metodologii.