Sviluppo ed applicazione di metodi computazionali ibridi QM/MM per lo studio di processi di catalisi enzimatica in soluzione.
Progetto I metodi ibridi QM/MM permettono di trattare sistemi di grandi dimensioni ed elevata complessità e sono pertanto adatti per studiare fenomeni che coinvolgono biomolecole, ad esempio processi di catalisi enzimatica. Studiare e razionalizzare a livello atomico le basi della selettività degli enzimi permette non solo una migliore comprensione teorica del fenomeno, ma ha anche notevoli ricadute sul suo utilizzo nella sintesi chimica in laboratorio ed in processi industriali.
In una precedente ricerca, si e¿ gia sviluppato un protocollo computazionale per modellare la regioselettività di un sistema enzimatico con calcoli QM/MM a livello semi-empirico ed utilizzando la tecnica degli atomi link. Nel contempo si e¿ sviluppato un metodo di calcolo QM/MM basato su orbitali molecolari estremamente localizzati (ELMO), che descrivono con buona accuratezza la regione di frontiera fra la zona quantistica e quella classica (QM-ELMO-MM).
Si intende quindi integrare il nuovo metodo di calcolo con il protocollo di calcolo precedentemente sviluppato, al fine di poter prevedere con maggior accuratezza la regioselettivita¿ di un sistema enzimatico.
L¿accurata valutazione delle interazioni tra enzima e substrato ottenibile con questo approccio consentirà anche di valutare l¿effetto di mutazioni puntuali sull¿efficienza e la selettività degli enzimi studiati, e potrà quindi essere un utile strumento per il design razionale di nuovi biocatalizzatori con proprietà specifiche.
Il programma di ricerca prevede due fasi principali.
Nella prima la metodologia QM-ELMO-MM (attualmente implementata nel package GAMESS-UK) potra¿ essere utilizzata per il calcolo di energie e l¿ottimizzazione di geometrie ottenute da simulazioni di dinamica molecolare.
Sara¿ quindi possibile trattare la regione del sito attivo ed il substrato a livello RHF e DFT, ma utilizzando sempre come punto di partenza dei parametri strutturali ottenuti da simulazioni di natura classica.
Nella seconda fase si prevede di implementare la metodologia QM-ELMO-MM in un programma di dinamica molecolare.
Questa fase consentirebbe un notevole salto di qualita¿ nell¿accuratezza dei risultati ottenuti e sarebbe quindi di notevole importanza per studi di previsione di reattivita¿ fra diversi substrati.
La ricerca proposta permettera¿ inoltre di ottenere una maggior comprensione a livello atomico dei processi chimico-fisici alla base delle interazioni fra enzima e substrato. E¿ infatti evidente che una trattazione a livello quantistico della regione attiva permette di ottenere una informazione di qualita¿ decisamente superiore rispetto alle simulazioni di natura puramente classica.