Statistical Mechanics with Quantum Potentials: Application to Host-Gues

具有量子势的统计力学:在主人-客人中的应用

基本信息

  • 批准号:
    8650081
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 14.79万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2014
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2014-09-01 至 2015-02-28
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Project Summary Host molecules, such as cyclodextrins and cucurbiturils, can 'capture' smaller molecules and affect their physical and chemical behavior. The stronger the host molecule holds onto, i.e. binds, its smaller 'guest' the larger the effect can be. Host molecules themselves can also be chemically altered (i.e. derivatized), which can change how strongly they bind guest molecules, as well as their own physical properties. Scientists are discovering many human health-related applications for host-guest technology, including improvement of the properties of drugs to make them more effective and safer, potential scavengers for chemical warfare agent removal, and clean-up of environmental chemical pollutants. The amount of basic research as well as applied/industrial R&D in this area is expanding rapidly. Given a particular 'guest' molecule (e.g. drug candidate, chemical pollutant) key pieces of information R&D scientists require is the host-guest binding affinity and the association/dissociation rates. This SBIR project aims to develop a software tool that can accurately predict these host-guest binding properties (e.g. binding free energy). This would allow R&D scientists to carry out computational experiments reducing the number of expensive and time-consuming bench experiments required. There is a current need for such a software tool to be developed, because as recently demonstrated by a blinded test challenge, existing tools are not accurate enough to provide useful information to researchers. Very recent studies indicate that the accuracy of the predictions can be significantly improved by combining quantum mechanical (QM) energy functions with rigorous statistical mechanics. However, these proof-of-concept studies have yet to be translated into a robust computational tool suitable for applied R&D. Therefore, this project will interface VeraChem's current statistical mechanics software package (VM2) with the widely used quantum chemistry package GAMESS, and implement drivers for various computational schemes to achieve this goal. In this proposed hybrid methodology, a Boltzmann distribution of molecular conformations will still be generated via a thorough conformational search as it is for classical VM2; however, the conformational search will not solely rely on molecular mechanics but will be guided by the more reliable QM potential. QM potentials will also be used for entropy terms, including a treatment of anharmonic effects. Full advantage will be taken of recent dramatic improvements in reliability of semi-empirical QM (SEQM), with optional corrections at higher levels of QM. Turnaround of calculations will be speeded up by parallel processing and a sophisticated conformer filter/vetting process.
项目概要 宿主分子,例如环糊精和葫芦脲,可以“捕获”较小的分子并影响 他们的物理和化学行为。主体分子的附着力(即结合力)越强,其尺寸就越小 “客”越大,效果就能越大。宿主分子本身也可以进行化学改变(即 衍生化),这可以改变它们与客体分子结合的强度,以及它们自身的物理性质 特性。科学家们正在发现许多与人类健康相关的主客应用 技术,包括改进药物的特性,使其更有效、更安全, 用于清除化学战剂和清理环境化学品的潜在清除剂 污染物。该领域的基础研究以及应用/产业研发量正在扩大 迅速。给定一个特定的“客体”分子(例如候选药物、化学污染物) 研发科学家需要的信息是主客体结合亲和力和缔合/解离 费率。这个SBIR项目旨在开发一种软​​件工具,可以准确预测这些主客 结合特性(例如结合自由能)。这将使研发科学家能够进行 计算实验减少了昂贵且耗时的工作台数量 需要进行实验。当前需要开发这样的软件工具,因为 最近的盲测挑战表明,现有工具不够准确,无法提供 对研究人员有用的信息。最近的研究表明,预测的准确性可以 通过将量子力学 (QM) 能量函数与严格的 统计力学。然而,这些概念验证研究尚未转化为可靠的 适合应用研发的计算工具。因此,该项目将连接 VeraChem 当前的 统计力学软件包(VM2)与广泛使用的量子化学软件包 GAMESS,并实现各种计算方案的驱动程序以实现这一目标。在这个 提出的混合方法,分子构象的玻尔兹曼分布仍然是 通过彻底的构象搜索生成,就​​像经典的 VM2 一样;然而, 构象搜索不会仅仅依赖于分子力学,而是会受到更多的指导 可靠的质量管理潜力。 QM 势也将用于熵项,包括处理 非谐波效应。将充分利用最近在可靠性方面的显着改进 半经验 QM (SEQM),可在更高水平的 QM 上进行可选校正。周转 通过并行处理和复杂的一致性过滤器/审查将加快计算速度 过程。

项目成果

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