Trasferimento di idrogeno in sistemi di grandi dimensioni

Studiare le reazioni di trasferimento dell’idrogeno a livello sperimentale è difficile perché esse avvengono su scale temporali ultrarapide a femtosecondi e i sistemi di enzimi sono troppo grandi per ottenere spettri sottili. Descriverle a livello teorico in grandi sistemi quali gli enzimi è difficile per via della dinamica quantistica dei protoni.

Per ottenere algoritmi computazionali accurati è necessario un equilibrio tra i forti effetti quantistici tra i bassi gradi di libertà e gli effetti quantistici deboli sul sistema inteso nel suo complesso. Con il sostegno dell’UE, gli scienziati hanno sviluppato un tale metodo nell’ambito del progetto VASPT2 (“A method for targeted quantum dynamics of hydrogen transfer reactions”).

I ricercatori hanno diviso il sistema in regioni attive (piccole e locali) e regioni di bagno (grandi e globali). Il team ha poi applicato un approccio computazionalmente pesante alle regioni attive e trattato il resto del sistema e l’accoppiamento tra le due regioni con un approccio di campo medio. Quest’ultimo si concentra su una particella o entità e sostituisce tutte le interazioni con le altre entità con un’interazione media. Il nuovo metodo è stato applicato all’acido formico, un sistema prototipale con legami deboli e forti. Sono state mostrate le previsioni teoriche delle funzioni d’onda vibrazionali (bande spettrali fondamentali) per abbinare abbastanza bene i valori sperimentali.

Il team ha inoltre sviluppato un metodo per descrivere potenziali superfici di energia semi-globali correlate a reazioni di trasferimento dell’idrogeno. Anche in questo caso, esiste un compromesso tra il carico computazionale e la necessità di descrivere la dinamica quantistica. I membri del progetto VASPT2 hanno usato un nuovo approccio di regressione lineare per adattare la superficie di energia potenziale semi-globale riducendo al minimo l’over-fitting senza creare buchi non fisici.

Implementato in una nuova suite di programmi per la dinamica quantistica denominata DYNAMOL, i nuovi ambiti forniscono descrizioni computazionalmente efficienti ed accurate delle reazioni di trasferimento dell’idrogeno. Ci si aspetta che contribuiscano a rispondere ad una delle più importanti questioni aperte della biochimica, vale a dire se gli effetti quantistici sono importanti per le reazioni enzimatiche. Il progetto VASPT2 ha così fornito un contributo prezioso per la progettazione di una migliore catalisi, importante per molte reazioni di interesse industriale.