Молекулярная орбиталь фрагмента

Метод фрагментных молекулярных орбиталей ( FMO ) — это вычислительный метод, который можно использовать для расчета очень больших молекулярных систем с тысячами атомов с использованием квантово-химических волновых функций ab initio.

История FMO и связанных с ней методов

Альфа-спираль фрагментирована для FMO с помощью Facio.

Метод фрагментных молекулярных орбиталей (FMO) был разработан Кадзуо Китаурой и его коллегами в 1999 году. ^[1] FMO глубоко взаимосвязан с анализом энергетического разложения (EDA) Кадзуо Китауры и Кейджи Морокумы , разработанным в 1976 году. Основное использование FMO заключается в расчете очень больших молекулярных систем путем разделения их на фрагменты и выполнения квантово-механических расчетов ab initio или функционала плотности. расчеты фрагментов и их димеров с учетом кулоновского поля всей системы. Последняя функция позволяет выполнять вычисления фрагментов без использования ограничений.

Метод взаимно согласованного поля (MCF). ^[2] представил идею расчета самосогласованных фрагментов в их потенциале внедрения, которая позже использовалась с некоторыми модификациями в различных методах, включая FMO. Существовали и другие методы, связанные с FMO, включая метод возрастающей корреляции Х. Столла (1992). ^[3]

Позже были предложены другие методы, тесно связанные с FMO, в том числе метод ядерной энергии Л. Хуана. ^[4] и электростатически внедренное расширение многих тел Э. Дальке, ^[5] С. Хирата ^[6] а позже М. Камия ^[7] предлагаемые подходы также очень тесно связаны с FMO. Метод эффективных молекулярных орбиталей фрагментов (EFMO) сочетает в себе некоторые особенности эффективных потенциалов фрагментов (EFP) и FMO. Подробный взгляд на развитие фрагментного метода можно найти в обзоре. ^[8]

Введение в ФМО

Помимо расчета общих свойств, таких как энергия, градиент энергии, дипольный момент и т. д., энергия взаимодействия получается для каждая пара фрагментов. Эту энергию парного взаимодействия можно далее разлагается на электростатику, обмен, перенос заряда и дисперсию взносы. Этот анализ известен как энергия парного взаимодействия. декомпозиционный анализ (PIEDA), и его можно рассматривать как EDA на основе FMO. В качестве альтернативы в рамках FMO были предложены анализ конфигурации взаимодействия фрагментов (CAFI) и анализ взаимодействия фрагментов на основе локального MP2 (FILM).

В FMO для ab initio расчетов фрагментов и их димеров могут использоваться различные волновые функции, такие как Хартри-Фока , теория функционала плотности (DFT), многоконфигурационное самосогласованное поле (MCSCF), зависящее от времени DFT ( TDDFT ). , конфигурационное взаимодействие второго порядка (CI), теория возмущений Меллера – Плессе (MP2), связанный кластер (CC) и сильная связь функционала плотности ( DFTB ). Возбужденные состояния можно рассчитать с помощью конфигурационного взаимодействия (CI), теории функционала плотности, зависящей от времени (TDDFT), зависящего от времени DFTB движения (TD-DFTB), связанного кластера с уравнением (EOM-CC) и приближения GW . Эффекты растворителя можно рассматривать с помощью модели поляризуемого континуума (PCM). Код FMO очень эффективно распараллеливается с использованием обобщенного интерфейса распределенных данных (GDDI), и можно использовать сотни процессоров с почти идеальным масштабированием.

В книге FMO, опубликованной в 2009 году, ^[9] можно найти 10 иллюстрированных глав, написанных экспертами в области разработки и применения FMO, а также компакт-диск с аннотированные образцы входных и выходных файлов, программное обеспечение для моделирования Facio и видеоуроки (фильмы AppliGuide, показывающие щелчки мыши) для обработки сложных файлов PDB с помощью Facio. Помимо этой книги, есть несколько глав, опубликованных в других книгах. ^[10]^[11]^[12]^[13]

В 2013–2014 годах японский журнал CICSJ Bulletin опубликовал серию статей FMO на японском языке (всего около 100 страниц), в которых представлен репрезентативный обзор недавних разработок и приложений FMO, реализованных в Японии, включая статьи по GAMESS/ Интерфейс FMO в Facio и разработка OpenMP-версии GAMESS/FMO на компьютере K. ^[14] Позже FMO портировали на Фугаку. ^[15] и суперкомпьютеры Summit. ^[16]

В 2007 году опубликовано несколько обзоров FMO. ^[17] 2012, ^[18] 2014, ^[19] 2017, ^[20] и 2022 год. ^[21] В 2021 году вышли две новые книги FMO. ^[22] и 2023 год. ^[23]

Самыми крупными системами, рассчитанными с помощью FMO с использованием DFTB, являются (а) пластина с поверхностью фуллерита, содержащая 1 030 440 атомов, геометрия которых была полностью оптимизирована, и (б) белый графеновый наноматериал толщиной 10,7 мкм, содержащий 1 180 800 атомов, для которого было выполнено молекулярно-динамическое моделирование.

Чтобы облегчить применение FMO в разработке лекарств, был создан консорциум FMO. ^[24]

Приложения ФМО

Существуют две основные области применения ФМО: биохимия и молекулярная динамика химических реакций в растворе. Кроме того, появляется новая область применения неорганических материалов.

В 2005 году приложение FMO для расчета основного электронного состояния фотосинтетического белка с более чем 20 000 атомами было отмечено наградой за лучшую техническую работу на выставке Supercomputing 2005. Был опубликован ряд применений FMO к биохимическим проблемам, например, к разработке лекарств , количественной взаимосвязи структура-активность ( QSAR ), а также исследованиям возбужденных состояний и химических реакций биологических систем. Адаптивная обработка замороженных орбиталей (AFO) оторвавшихся связей была разработана для FMO, что позволяет изучать твердые тела, поверхности и наносистемы, такие как кремниевые нанопроволоки. FMO-TDDFT применялся к возбужденным состояниям молекулярных кристаллов (хинакридон).

Среди неорганических систем с помощью FMO были изучены материалы, связанные с кремнеземом (цеолиты, мезопористые наночастицы и поверхности кремнезема). а также ионные жидкости и ленты нитрида бора. Есть и другие применения FMO. ^[25]

Программное обеспечение для предприятия

Метод FMO реализован в GAMESS (США) , ABINIT-MP, ^[26] ПАИКС, ^[27] и ОпенФМО ^[28] пакеты программного обеспечения, распространяемые бесплатно.

Это было , ^[29] — это общий графический интерфейс с открытым исходным кодом, который может генерировать входные файлы для FMO. Еще один графический интерфейс пользователя Facio ^[30] разработка М. Суэнаги имеет очень удобную специализированную поддержку FMO (помимо других функций), с помощью которой происходит автоматическая фрагментация молекулярных кластеров, белков, нуклеотидов, сахаридов и любых их комбинаций (например, ДНК и белковых комплексов в явном растворителе). Это можно сделать за несколько минут, а фрагментацию твердых тел и поверхностей можно выполнить вручную, щелкнув по связям, которые необходимо отсоединить. Facio также может визуализировать результаты расчетов FMO, например парные взаимодействия.

Реализация FMO в GAMESS

(E — энергия, G — градиент, H — гессиан; жирный шрифт — можно использовать с PCM)

	РВФ	РОХФ	УВЧ	CFP	МКССКФ
Простой	ЭГХ	ЭГ Х	ЭГ Х	-	НАПРИМЕР
МП2	НАПРИМЕР	Э Г	И	-	-
СС	И	И	-	-	-
ТАМ	И	-	-	-	-
ДПФ	ЭГХ	-	ЭГ Х	-	-
ТД-ДПФ	Э Г	-	И	-	-
МНВ-CC	И	-	-	-	-
ДФТБ	ЭГ Х	-	-	-	-

См. также

ГЕЙМСС (США)

Ссылки

^ К. Китаура; Э. Икео; Т. Асада; Т. Накано; М. Уебаяси (1999). «Метод молекулярных орбиталей фрагментов: приближенный метод расчета для больших молекул». хим. Физ. Летт . 313 (3–4): 701–706. Бибкод : 1999CPL...313..701K . дои : 10.1016/S0009-2614(99)00874-X .
^ П. Отто; Дж. Ладик (1975). «Исследование взаимодействия молекул на средних расстояниях: I. Супермолекула SCF LCAO MO, пертурбационные и взаимно непротиворечивые расчеты для двух взаимодействующих молекул HF и CH ₂ O». хим. Физ . 8 (1–2): 192–200. Бибкод : 1975CP......8..192O . дои : 10.1016/0301-0104(75)80107-8 .
^ Столл, Герман (1992). «Корреляционная энергия алмаза». Физический обзор B . 46 (11): 6700–6704. Бибкод : 1992PhRvB..46.6700S . дои : 10.1103/PhysRevB.46.6700 . ПМИД 10002370 .
^ Хуанг, Лулу; Масса, Лу; Карл, Джером (2005). «Метод энергии ядра, проиллюстрированный пептидами». Международный журнал квантовой химии . 103 (6). Уайли: 808–817. Бибкод : 2005IJQC..103..808H . дои : 10.1002/qua.20542 . ISSN 0020-7608 .
^ Дальке, Эрин Э.; Трулар, Дональд Г. (4 ноября 2006 г.). «Электростатическое расширение многих тел для больших систем с применением к водным кластерам». Журнал химической теории и вычислений . 3 (1). Американское химическое общество (ACS): 46–53. CiteSeerX 10.1.1.186.8799 . дои : 10.1021/ct600253j . ISSN 1549-9618 . ПМИД 26627150 .
^ Хирата, Со; Валиев, Марат; Дюпюи, Мишель; Ксанфей, Сотирис С.; Сугики, Шиничиро; Секино, Хидео (10 августа 2005 г.). «Методы корреляции быстрых электронов для молекулярных кластеров в основном и возбужденном состояниях». Молекулярная физика . 103 (15–16). Информа UK Limited: 2255–2265. Бибкод : 2005MolPh.103.2255H дои : 10.1080/00268970500083788 . ISSN 0026-8976 . S2CID 95428135 .
^ Камия, Мунеаки; Хирата, Со; Валиев, Марат (21 февраля 2008 г.). «Методы корреляции быстрых электронов для молекулярных кластеров без ошибок суперпозиции базисного набора». Журнал химической физики . 128 (7). Издательство АИП: 074103. Бибкод : 2008JChPh.128g4103K . дои : 10.1063/1.2828517 . ISSN 0021-9606 . ПМИД 18298136 .
^ Гордон, Марк С.; Федоров Дмитрий Георгиевич; Прюитт, Спенсер Р.; Слипченко, Людмила В. (26 августа 2011 г.). «Методы фрагментации: путь к точным расчетам в больших системах» . Химические обзоры . 112 (1). Американское химическое общество (ACS): 632–672. дои : 10.1021/cr200093j . ISSN 0009-2665 . ПМИД 21866983 .
^ Метод молекулярных орбиталей фрагментов: практические приложения к большим молекулярным системам , под редакцией Д. Г. Федорова, К. Китауры, CRC Press, Бока-Ратон, Флорида, 2009 г. ISBN 978-1-4200-7848-0
^ "(а) Д. Г. Федоров, К. Китаура, Теоретическая разработка метода молекулярных орбиталей фрагментов (FMO) и (б) Т. Накано, Ю. Мотидзуки, К. Фукудзава, С. Амари, С. Танака, Разработки и приложения программного обеспечения ABINIT-MP на основе метода молекулярных орбиталей фрагментов в книге «Современные методы теоретической физической химии биополимеров » под редакцией Э. Старикова, Дж. Льюиса, С. Танаки, Elsevier, Амстердам, 2006 г., ISBN 978-0-444-52220-7
^ Т. Нагата, Д. Г. Федоров, К. Китаура (2011). «Математическая формулировка метода молекулярных орбиталей фрагментов» в журнале « Методы линейного масштабирования в вычислительной химии и физике» . Р. Залесный, М.Г. Пападопулос, П.Г. Мезей, Дж. Лещинский (ред.), Springer, Нью-Йорк, стр. 17–64.
^ Ю. Комейдзи, Ю. Мотидзуки, Т. Накано, Х. Мори (2012). «Последние достижения в области молекулярных орбиталей фрагментов динамическое моделирование (FMO-MD)», в книге «Молекулярная динамика – теоретические разработки и приложения в нанотехнологиях и энергетике» , Л. Ван (ред.), Intech, стр. 3–24.
^ Квантовая механика в открытии лекарств. , под редакцией А. Хейфеца, Спрингер, Нью-Йорк, 2020 г. ISBN 978-1-0716-0281-2
^ «Журнал информационно-химического отдела Химического общества Японии» .
^ «ФМО@Фугаку» . Ютуб . 25 апреля 2021 г.
^ «ФМО@Саммит» . 18 ноября 2022 г. стр. 1–14.
^ Д.Г. Федоров; и др. (2007). «Распространение возможностей квантовой химии на большие системы с помощью метода молекулярных орбиталей фрагментов». Дж. Физ. хим. А. 111 (30): 6904–6914. Бибкод : 2007JPCA..111.6904F . дои : 10.1021/jp0716740 . ПМИД 17511437 .
^ Федоров Дмитрий Георгиевич; Нагата, Такеши; Китаура, Кадзуо (2012). «Изучение химии с помощью метода молекулярных орбиталей фрагментов». Физическая химия Химическая физика . 14 (21). Королевское химическое общество (RSC): 7562–7577. Бибкод : 2012PCCP...14.7562F . дои : 10.1039/c2cp23784a . ISSN 1463-9076 . ПМИД 22410762 .
^ Танака, Сигенори; Мотидзуки, Юдзи; Комэйдзи, Юто; Окияма, Ёсио; Фукудзава, Каори (2014). «Электронно-коррелированные фрагментно-молекулярно-орбитальные расчеты для биомолекулярных и наносистем». Физ. хим. хим. Физ . 16 (22). Королевское химическое общество (RSC): 10310–10344. Бибкод : 2014PCCP...1610310T . дои : 10.1039/c4cp00316k . ISSN 1463-9076 . ПМИД 24740821 .
^ Федоров, Дмитрий Г. (2017). «Метод молекулярных орбиталей фрагментов: теоретическая разработка, реализация в GAMESS и приложения». ПРОВОДА Компьютер. Мол. Наука . 7 (6): e1322. дои : 10.1002/wcms.1322 . S2CID 103065280 .
^ Фукудзава, Каори; Танака, Сигенори (2022). «Расчёты молекулярных орбиталов фрагментов биомолекул» . Современное мнение в области структурной биологии . 72 : 127–134. дои : 10.1016/j.sbi.2021.08.010 . ПМИД 34656048 . S2CID 239010379 .
^ Последние достижения метода молекулярных орбиталей фрагментов , под редакцией Ю. Мочизуки, С. Танаки, К. Фукудзавы, Спрингер, Сингапур, 2021 г. ISBN 978-981-15-9234-8
^ Полное руководство по методу молекулярных орбиталей фрагментов в GAMESS. , Д.Г. Федоров, World Scientific, Сингапур, 2023 г. ISBN 978-981-126-362-0
^ «Консорциум ФМО» .
^ http://staff.aist.go.jp/dgfedorov/fmo/fmoref.txt ^{[ текстовый файл с пустым URL-адресом ]}
^ «АБИНИТ-МП (на японском языке)» .
^ «ПАИКС» .
^ «ОпенФМО» . Гитхаб .
^ «фу» . Гитхаб .
^ «Facio — программное обеспечение для 3D-молекулярного моделирования» .

[1] К. Китаура; Э. Икео; Т. Асада; Т. Накано; М. Уебаяси (1999). «Метод молекулярных орбиталей фрагментов: приближенный метод расчета для больших молекул». хим. Физ. Летт . 313 (3–4): 701–706. Бибкод : 1999CPL...313..701K . дои : 10.1016/S0009-2614(99)00874-X .

[2] П. Отто; Дж. Ладик (1975). «Исследование взаимодействия молекул на средних расстояниях: I. Супермолекула SCF LCAO MO, пертурбационные и взаимно непротиворечивые расчеты для двух взаимодействующих молекул HF и CH ₂ O». хим. Физ . 8 (1–2): 192–200. Бибкод : 1975CP......8..192O . дои : 10.1016/0301-0104(75)80107-8 .

[3] Столл, Герман (1992). «Корреляционная энергия алмаза». Физический обзор B . 46 (11): 6700–6704. Бибкод : 1992PhRvB..46.6700S . дои : 10.1103/PhysRevB.46.6700 . ПМИД 10002370 .

[4] Хуанг, Лулу; Масса, Лу; Карл, Джером (2005). «Метод энергии ядра, проиллюстрированный пептидами». Международный журнал квантовой химии . 103 (6). Уайли: 808–817. Бибкод : 2005IJQC..103..808H . дои : 10.1002/qua.20542 . ISSN 0020-7608 .

[5] Дальке, Эрин Э.; Трулар, Дональд Г. (4 ноября 2006 г.). «Электростатическое расширение многих тел для больших систем с применением к водным кластерам». Журнал химической теории и вычислений . 3 (1). Американское химическое общество (ACS): 46–53. CiteSeerX 10.1.1.186.8799 . дои : 10.1021/ct600253j . ISSN 1549-9618 . ПМИД 26627150 .

[6] Хирата, Со; Валиев, Марат; Дюпюи, Мишель; Ксанфей, Сотирис С.; Сугики, Шиничиро; Секино, Хидео (10 августа 2005 г.). «Методы корреляции быстрых электронов для молекулярных кластеров в основном и возбужденном состояниях». Молекулярная физика . 103 (15–16). Информа UK Limited: 2255–2265. Бибкод : 2005MolPh.103.2255H дои : 10.1080/00268970500083788 . ISSN 0026-8976 . S2CID 95428135 .

[7] Камия, Мунеаки; Хирата, Со; Валиев, Марат (21 февраля 2008 г.). «Методы корреляции быстрых электронов для молекулярных кластеров без ошибок суперпозиции базисного набора». Журнал химической физики . 128 (7). Издательство АИП: 074103. Бибкод : 2008JChPh.128g4103K . дои : 10.1063/1.2828517 . ISSN 0021-9606 . ПМИД 18298136 .

[8] Гордон, Марк С.; Федоров Дмитрий Георгиевич; Прюитт, Спенсер Р.; Слипченко, Людмила В. (26 августа 2011 г.). «Методы фрагментации: путь к точным расчетам в больших системах» . Химические обзоры . 112 (1). Американское химическое общество (ACS): 632–672. дои : 10.1021/cr200093j . ISSN 0009-2665 . ПМИД 21866983 .

[9] Метод молекулярных орбиталей фрагментов: практические приложения к большим молекулярным системам , под редакцией Д. Г. Федорова, К. Китауры, CRC Press, Бока-Ратон, Флорида, 2009 г. ISBN 978-1-4200-7848-0

[10] "(а) Д. Г. Федоров, К. Китаура, Теоретическая разработка метода молекулярных орбиталей фрагментов (FMO) и (б) Т. Накано, Ю. Мотидзуки, К. Фукудзава, С. Амари, С. Танака, Разработки и приложения программного обеспечения ABINIT-MP на основе метода молекулярных орбиталей фрагментов в книге «Современные методы теоретической физической химии биополимеров » под редакцией Э. Старикова, Дж. Льюиса, С. Танаки, Elsevier, Амстердам, 2006 г., ISBN 978-0-444-52220-7

[11] Т. Нагата, Д. Г. Федоров, К. Китаура (2011). «Математическая формулировка метода молекулярных орбиталей фрагментов» в журнале « Методы линейного масштабирования в вычислительной химии и физике» . Р. Залесный, М.Г. Пападопулос, П.Г. Мезей, Дж. Лещинский (ред.), Springer, Нью-Йорк, стр. 17–64.

[12] Ю. Комейдзи, Ю. Мотидзуки, Т. Накано, Х. Мори (2012). «Последние достижения в области молекулярных орбиталей фрагментов динамическое моделирование (FMO-MD)», в книге «Молекулярная динамика – теоретические разработки и приложения в нанотехнологиях и энергетике» , Л. Ван (ред.), Intech, стр. 3–24.

[13] Квантовая механика в открытии лекарств. , под редакцией А. Хейфеца, Спрингер, Нью-Йорк, 2020 г. ISBN 978-1-0716-0281-2

[14] «Журнал информационно-химического отдела Химического общества Японии» .

[15] «ФМО@Фугаку» . Ютуб . 25 апреля 2021 г.

[16] «ФМО@Саммит» . 18 ноября 2022 г. стр. 1–14.

[17] Д.Г. Федоров; и др. (2007). «Распространение возможностей квантовой химии на большие системы с помощью метода молекулярных орбиталей фрагментов». Дж. Физ. хим. А. 111 (30): 6904–6914. Бибкод : 2007JPCA..111.6904F . дои : 10.1021/jp0716740 . ПМИД 17511437 .

[18] Федоров Дмитрий Георгиевич; Нагата, Такеши; Китаура, Кадзуо (2012). «Изучение химии с помощью метода молекулярных орбиталей фрагментов». Физическая химия Химическая физика . 14 (21). Королевское химическое общество (RSC): 7562–7577. Бибкод : 2012PCCP...14.7562F . дои : 10.1039/c2cp23784a . ISSN 1463-9076 . ПМИД 22410762 .

[19] Танака, Сигенори; Мотидзуки, Юдзи; Комэйдзи, Юто; Окияма, Ёсио; Фукудзава, Каори (2014). «Электронно-коррелированные фрагментно-молекулярно-орбитальные расчеты для биомолекулярных и наносистем». Физ. хим. хим. Физ . 16 (22). Королевское химическое общество (RSC): 10310–10344. Бибкод : 2014PCCP...1610310T . дои : 10.1039/c4cp00316k . ISSN 1463-9076 . ПМИД 24740821 .

[20] Федоров, Дмитрий Г. (2017). «Метод молекулярных орбиталей фрагментов: теоретическая разработка, реализация в GAMESS и приложения». ПРОВОДА Компьютер. Мол. Наука . 7 (6): e1322. дои : 10.1002/wcms.1322 . S2CID 103065280 .

[21] Фукудзава, Каори; Танака, Сигенори (2022). «Расчёты молекулярных орбиталов фрагментов биомолекул» . Современное мнение в области структурной биологии . 72 : 127–134. дои : 10.1016/j.sbi.2021.08.010 . ПМИД 34656048 . S2CID 239010379 .

[22] Последние достижения метода молекулярных орбиталей фрагментов , под редакцией Ю. Мочизуки, С. Танаки, К. Фукудзавы, Спрингер, Сингапур, 2021 г. ISBN 978-981-15-9234-8

[23] Полное руководство по методу молекулярных орбиталей фрагментов в GAMESS. , Д.Г. Федоров, World Scientific, Сингапур, 2023 г. ISBN 978-981-126-362-0

[24] «Консорциум ФМО» .

[25] ttp://staff.aist.go.jp/dgfedorov/fmo/fmoref.txt ^{[ текстовый файл с пустым URL-адресом ]}

[26] «АБИНИТ-МП (на японском языке)» .

[27] «ПАИКС» .

[28] «ОпенФМО» . Гитхаб .

[29] «фу» . Гитхаб .

[30] «Facio — программное обеспечение для 3D-молекулярного моделирования» .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

[29]

[30]