Фотоиндуцированная неадиабатическая динамика фоторецепторных белков в молекулярных механизмах зренияНИР

Shedding new light on the mechanism of vision through the photoinduced nonadiabatic dynamics of photoreceptor proteins

Соисполнители НИР

South China Normal University Соисполнитель

Источник финансирования НИР

грант РНФ
грант РНФ
грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Фотоиндуцированная неадиабатическая динамика фоторецепторных белков в молекулярных механизмах зрения
Результаты этапа: В 2024 году разработан формализм аналитического расчета градиентов в методе XMCQDPT2. Формализм основан на использовании метода множителей Лагранжа. Реализован метод расчета матричных элементов неадиабатического взаимодействия в рамках нулевого порядка теории возмущений XMCQDPT2 на собственных векторах эффективного гамильтониана второго порядка. Реализован алгоритм приближенного расчета векторов неадиабатической связи через перекрывание волновых функций в соседних точках вдоль траектории с использованием метода CASSCF и нулевого порядка теории возмущений XMCQDPT2. Совместно с китайской группой разработан программный интерфейс, объединяющий квантовохимический пакет Firefly (Россия) и пакет неадиабатической молекулярной динамики JADE (Китай) в единый программный комплекс для моделирования сверхбыстрой неадиабатической динамики с использованием методов квантовой химии высокого уровня точности. Разработанный комплекс позволяет моделировать неадиабатические процессы с помощью метода смешанной квантово-классической динамики. Для эффективного использования вычислительных ресурсов высокопроизводительных систем при расчете градиентов в рамках метода XMCQDPT2 реализована возможность одновременного параллельного запуска n независимых молекулярно-динамических траекторий с использованием m MPI-процессов в каждой. В таком варианте используется как распараллеливание по независимым траекториям, так и высокая вычислительная эффективность пакета Firefly. Разработанный комплекс использован для изучения неадиабатических процессов электронной релаксации возбужденного катиона метилениммония, представляющего собой простейшую модель протонированного основания Шиффа ретиналя. Проведен анализ различных методов машинного обучения, применяемых для аппроксимации поверхностей потенциальной энергии. Для дальнейшего использования в проекте выбран нейросетевой потенциал взаимодействия на основе архитектуры MACE (Multi Atomic Cluster Expansion). Модели обучались на обширной выборке конформаций, полученных в ходе проведения неадиабатической динамики катиона метилениммония. Достигнутые значения метрик качества на отложенной тестовой выборке (единицы мэВ для энергии и десятки мэВ/Å для проекций градиента) подтверждают возможность использования полученных моделей для проведения неадиабатической динамики без привлечения референсного квантовохимического метода. Выработана общая стратегия по проведению численных экспериментов с помощью неадиабатической динамики и нейросетевых потенциалов на уровне XMCQDPT2. Предложенная стратегия заключается в генерации данных для обучения непосредственно из расчетов неадиабатической динамики с потенциалом CASSCF. Далее применяется концепция обучения с переносом; модели, предварительно обученные на обширных конформационных выборках метода CASSCF, дообучаются с использованием на порядок меньшего объема данных, получаемых на уровне XMCQDPT2. Полученные первые результаты свидетельствуют о перспективности предложенного подхода для создания нейросетевых потенциалов взаимодействия с высокой точностью предсказания энергий и градиентов. С использованием созданного в проекте программного комплекса JADE-Firefly изучена неадиабатическая динамика релаксации катиона метилениммония после фотовозбуждения при разных начальных условиях, в том числе при селективном возбуждении колебательных мод. Впервые показано, что в неадиабатических процессах релаксации электронно-возбужденного катиона присутствует прямой канал распада с образованием молекулы водорода и катиона протонированной синильной кислоты HCNH+. Новый фотохимический безбарьерный путь распада этого катиона важен для описания химических процессов, происходящих в атмосфере Титана. Построены сечения поверхности потенциальной энергии (ППЭ) первого электронно-возбужденного состояния полностью транс протонированного основания Шиффа ретиналя (RPSB) для реакции фотоизомеризации по различным двойным связям. Проведена оценка применимости метода CASSCF и важности учёта динамической корреляции при описании реакции фотоизомеризации. Сравнение результатов, полученных методами CASSCF и XMCQDPT2, демонстрирует возможность применения метода CASSCF для качественного описания профиля ППЭ вдоль координаты изомеризации. Однако метод CASSCF, не учитывающий динамическую электронную корреляцию, не пригоден для количественных оценок барьеров фотоизомеризации. Времена жизни возбуждённого состояния при комнатной температуре отличаются в 2 раза, а при понижении температуры до 100К времена отличаются на порядок. Также получены наборы неэмпирических квантовохимических данных для моделирования неадиабатической динамики RPSB и его аналогов с помощью нейросетевых потенциалов. Проведен детальный сравнительный анализ фотоиндуцированной динамики полностью транс- и цис-изомеров RPSB как в прямых, так и обратных первичных фотохимических реакциях, протекающих в микробном родопсине KR2, бактериородопсине и зрительном родопсине. При помощи комбинированных методов квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ) показано, что белковое окружение влияет на селективность фотоотклика хромофорной группы не только за счет изменения ее конформации, но и с помощью возбуждения определенных колебательных мод. Одновременное возбуждение реакционных мод создает условия для согласования их фаз при прохождении многомерного конического пересечения, что способствует достижению высокой скорости реакции и значительного квантового выхода. Впервые показано, что обратные реакции фотоизомеризации первичных фотопродуктов являются селективными только в случае микробных родопсинов, в зрительном родопсине фотоотклик полностью транс хромофора становится неизбирательным. По результатам проекта в 2024 году опубликованы и приняты к печати 2 статьи, одна из которых в журнале первого квартиля. Китайский коллектив принимал активное участие в реализации и обсуждении результатов проекта, в том числе в ходе визита в Москву в июле 2024 года. Результаты проекта были представлены руководителем российского коллектива в виде приглашенного доклада на международном семинаре «Quantum nonadiabatic dynamics workshop» (Великобритания). В рамках конференции Challenges 2024 (Россия) руководителем российского коллектива организован и проведен круглый стол «Photoinduced Nonadiabatic Molecular Dynamics» совместно с представителями китайского коллектива по тематике проекта.
2 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Фотоиндуцированная неадиабатическая динамика фоторецепторных белков в молекулярных механизмах зрения
Результаты этапа:
3 1 января 2026 г.-31 декабря 2026 г. Фотоиндуцированная неадиабатическая динамика фоторецепторных белков в молекулярных механизмах зрения
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".