Nichtadiabatische Ring-Polymer-Molekulardynamik zur Beschreibung von biologischen Elektronen- und Protonentransferprozesse

• Antragsteller: Dr. Philip Shushkov
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 364714289

Nichtadiabatische Prozesse wie Elektronen- und an Protonenbewegungen gekoppelte Elektronentransfers sind allgegenwärtig in chemischen und biologischen Energieumwandlungsreaktionen. Die theoretische Beschreibung solcher Prozesse in realistischen, vieldimensionalen Systemen in kondensierter Phase benötigt Molekulardynamikmethoden, welche Quanteneffekte wie nichtadiabatische Übergänge, Tunneleffekte und Bewegung am Nullpunkt beinhalten. Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Entwicklung und Anwendung einer neuen approximativen nichtadiabatischen quantenmechanischen Molekulardynamik-Methode in der kondensierten Phase. Pfadintegralbasierte Methoden wie die Ring-Polymer-Molekulardynamik haben sich als erfolgreich für Quantendynamik in kondensierter Phase erwiesen und es besteht ein erhebliches Interesse diese Ansätze auf den nichtadiabatischen Bereich zu erweitern. Die kinetisch gehinderte Ring-Polymer-Molekulardynamik-Methode hat herausragende Leistungen bei der Beschreibung von nichtadiabatischen Donor-Akzeptor-Systemen erbracht und ich beabsichtige, diese Methode für nichtadiabatische Dynamik auf multiplen Potentialhyperflächen zu generalisieren. Azurin ist ein wichtiges Testsystem für biologische Elektronen- und Protonentransfers mit einer Vielzahl an verfügbaren experimentellen Daten. Ich werde meine Methode zur detailierten atomistischen Beschreibung der Elektronensprünge und gekoppelten Elektronensprung-Protonentransfer Prozesse in Azurin anwenden, wobei beide Prozesse drei oder mehr Potentialhyperflächen beinhalten. Ich werde den detailierten Mechanismus des mehrstufigen langreichweitigen Elektronentransfers, den Einfluss des Proteins und des umgebenden Mediums und die Kopplung des Elektronentransfers mit der Bewegung der Protonen untersuchen. Dieses Projekt wird stark von Kollaborationen mit experimentell arbeitenden Gruppen am Caltech Institut profitieren und den Weg für Simulationen von biologischen Elektronen-, Protonen-, und gekoppelten Elektronen/Protonen-Transfers in redoxaktiven Proteinen und Proteinkomplexen ebnen und nachfolgende Anwendungen auf Ribonukleotidreduktasen, nicht-Häm basierte Eisen-Oxidoreduktasen, Cytochrome P450 und Photosystem II ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Thomas F. Miller