많은 초발수성 특성에 대한 연구에서 초발수성 표면에 대해 Wenzel 이론과 Cassie-Baxter이론으로 설명을 하고 있으나, 그 정확도가 높지 않다. 따라서 수식적으로 명확하지 않을 때 효과적으로 그 현상을 예측할 수 있는 방법인 인공신경망을 이용하여 주어진 조건에 대한 표면의 젖음성을 예측했다. 격자기체기반의 Monte Carlo 시뮬레이션으로 주어진 돌기와 환경조건에 대해 돌기사이에서의 물 분자 밀도 값을 구하였다. 시뮬레이션 결과를 인공신경망에 학습시키고, 같은 데이터로 통계학적 방법인 다중선형회귀분석을 실시하여 두 방법의 결과를 성능 지표인 R R22, RMSE와 MAE를 이용한 오차율로 비교하였다. 그 결과 인공신경망을 사용한 경우가 다중선형회귀분석을 사용한 경우보다 월등히 성능이 우수한 결과를 보였다. 이 결과를 미루어 봤을 때, 여러 분야에서 인공신경망을 이용하여 원하는 특성에 대해 예측한다면 기존의 실험 방법이나 시뮬레이션 방법에 비해 저렴한 비용과 작은 시간 투자로 원하는 결과를 얻을 수 있을 것이다.

We do mechanism study for specific coupling reaction of Br-La and triangular ether in presence of NHC. We do calculate all possible intermediates and possible pathways. Checking most feasible reaction pathways, we can compare result of previous study.

Leishmaniasis는 Leishmania spaice에 의해 발병하는 심각한 질병이다. 현재 이를 치료하는 약물이 다양하게 개발되고 있지만 그 완치율은 높지 않고 부작용도 심해 더 많은 연구가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 EDISON에서 제공하는 QM_Docking_Dock 프로그램을 이용해 binding affinity를 계산하고 관찰하였다. L.mexicana의 GAPDH를 저해하는 전략에 사용된 화합물 BRZ960, TND361 각각의 계산 결과는 5.74461 kcal/mol, -6.03565 kcal/mol이며 이는 실험 결과인 IC50과 비슷한 경향을 가진다. 그리고 TND361는 Homo sapiens의 GAPDH구조를 구별하지 못해 부작용에 노출되어 있음을 알 수 있었으며, 비교적 활성이 좋은 TND361은 L. mexicana GAPDH 39 MET의 sulfate와 TND361의 phenol ring과 Pi-surfer interaction을 형성하며 Homo sapiens의 39 PHE에 의해 결합을 못해 기생충에만 특이적으로 작용하는 약물임을 알 수 있었다. 마지막으로 약물 메커니즘이 NAD의 경쟁적 저해제이기 때문에 NAD보다 더 강력하게 붙는 특징과 Homo sapiens에 작용하지 않는 특징, 이 두 가지 특성을 지닌 약물을 개발 또는 발굴하는 것이 약물의 문제점을 해결하는 연구가 될 것이다.

Chymotrypsin inhibitor 2 (CI2)는 α-나선과 3개의 β-sheet로 구성된 단백질이다. CI2 단백질의 안정성을 알 수 있는 척도인 자유에너지(free energy)를 분석하려고 하며, 자유에너지는 용매화 자유에너지(solvation free energy)와 내부에너지(internal energy)의 영향을 받는다. 본 연구에서는, CI2 단백질 풀림에 따른 구조적인 변화를 분석하고, 접힌 상태(Folded State), 전이 상태(Transition State), 풀린 상태(Unfolded State)에 따른 자유에너지 값을 예측하려 한다. 본 연구의 결과를 통해 단백질이 풀리면서 자유에너지 값이 커지는 것을 열역학적으로 확인하였다. CI2 단백질 풀림에 따른 자유에너지 변화를 예측하는 것이 단백질 안정성을 분석하는 연구에 큰 도움을 줄 것이라 기대한다.

p53-MDM2 복합체와 barnase-barstar 복합체는 생체 내에서 결합을 이루고 있다. 열역학적 분석 방법 중 하나인 유효 결합 자유 에너지(effective binding free energy)인 단백질 내부에너지(protein internal energy)와 용매화 자유에너지 (solvation free energy)의 합으로 구성된다. 본 연구에서는 유효 결합 자유 에너지와 잔기 별 용매화 자유에너지 계산을 통하여 결합 계면의 차이를 분석하였다. 연구의 결과로 용매화 자유에너지 분석을 통해 단백질 간의 결합의 주 원인은 p53-MDM2 복합체에서는 소수성 때문이고, barnase-barstar 복합체에서는 친수성의 정전기적 상호작용 때문임을 확인했다. MD시뮬레이션과 용매화 자유에너지 분석을 이용하여 단백질이 복합체를 이루는 원인을 분석함으로써, 단백질이 결합하는 데 있어 상호작용하는 추진 요인이 다르다는 것을 열역학적으로 규명하였다.

Aldehyde 작용기를 가지고 있는 유기화합물의 분해과정을 연구한 선행연구 중 Roaming reaction mechanism이 새롭게 발견되었다. 기존의 분해과정은 다분자간 반응이였다면 Roaming reaction은 한 분자 내에서 분해반응이 일어난다. 그 중에서 독성이 강한 formaldehyde의 분해과정을 계산화학적으로 알아보고자 한다.

β-2-마이크로글로불린(β-2-Microglobulin, 이하 β2M)은 사람의 세포의 표면에 존재하는 단백질이다. 이 단백질이 어떤 영향을 받아 일부 아미노산의 구조가 변하여 돌연변이가 발생하게 되면 β2M간의 응집이 일어나게 된다. β2M의 자가 응집(self-aggregation)으로 아밀로이드 섬유(amyloid fibril) 응집체가 형성돼 이것이 신장에 쌓이게 되면 신장의 기능이 저하된 아밀로이드증(amyloidosis)이 발병한다. 단백질의 응집이 발생하는 원인에는 구조적인 영향와 열역학적 영향이 있지만 본 연구에서는 용매화 자유 에너지(solvation free energy) 변화를 중점적으로 연구하였다. 분자 동역학 시뮬레이션(molecular dynamics simulations)을 이용하여 native state의 wild type β2M와 D76N, D59P, W60C 단백질들의 용매화 자유 에너지를 계산하였다. 또한 이 분자들의 아미노산 (residue)별 용매화 자유 에너지를 비교하여 에너지에 가장 큰 영향을 주고 있는 아미노산을 파악하였다. wild type β2M뿐만 아니라 그의 돌연변이인 D76N, D59P, W60C 단백질 연구가 단백질의 돌연변이 효과에 대한 연구에 긍정적인 영향을 줄 수 있을 것이라고 기대한다.

Aβ42와 Tau43은 무정형 단백질이다. 무정형 단백질은 안정한 3차 구조가 없으며, 대부분 생체 내에서 펼쳐진 상태로 존재한다. 과인산화된 Tau43 단백질의 응집으로 형성된 NFTs(Neurofibrillary tangles)와 아밀로이드베타(Aβ)는 알츠하이머 병의 주요 특징이다. 알츠하이머 환자의 뇌에서 Aβ42와 Tau43 단백질의 응집이 관찰된다. 단백질의 응집에는 Effective free energy의 구성요소인 단백질 내부에너지 (protein internal energy)와 용매화 자유에너지 (solvation free energy)가 영향을 준다. 본 연구에서는 EDISON 프로그램을 이용하여 Aβ42와 Tau43 단백질의 응집 전·후의 용매화 자유에너지(solvation free energy) 변화와 단백질 내부에너지변화(protein internal energy)를 계산하고자 한다. 연구의 결과로 두 단백질 모두 용매화 자유에너지 (solvation free energy)가 증가함을 보이며 응집한다는 것을 예측 할 수 있다.

광 구동 분자 모터 (Light-driven single molecular rotary motors)의 흡수 파장에 적색 편이에 대한 연구는 여러 방법을 통해 진행되어 왔다. 생체 분야에서 활용가능성이 많은 분자이기 때문에 짧은 파장의 빛을 사용하기에는 문제가 되기 때문이다. 이를 개선하기 위해 기존의 분자 모터의 아로마틱한 성질을 유지하면서 하단 절반 부분의 벤젠 고리의 meta-site를 각각 2개의 질소로 치환했을 때의 회전 순환의 조절을 DFT와 TD-DFT 방법을 이용해 이론적으로 예측했다.

고분자 나노 복합체 필름 안에서 나노 입자의 공간적 분포는 고분자 나노 복합체 필름의 유리 전이 온도와 같은 특성에 영향을 미칠 수 있다. 나노 입자는 고분자 필름 내에서 tracer로서 필름의 특성을 알아내는 데 많이 쓰인다. 그 중에서도 나노 입자를 통해 고분자의 점성도와 같은 특성을 알아내는 방법을 microrheology라고 한다. 고분자의 점성도를 알아낼 때 나노 입자의 확산을 자세히 아는 것이 중요한데, 아직 고분자 필름 내에서 나노 입자의 자세한 확산 메커니즘은 밝혀지지 않았다. 따라서 본 연구에서는, 독립형 고분자 필름에 안에 낮은 부피비로 나노 입자를 삽입하고 분자 동역학(Molecular Dynamics)시뮬레이션을 수행하였다. 나노 입자의 크기와 고분자를 이루는 단량체의 개수에 따라 나노 입자와 고분자의 상호작용이 달라지는데, 이에 따라 나노 입자의 분포가 어떻게 달라지는지 알아본다. 크기가 작은 나노 입자는 필름 표면에 위치하고, 크기가 큰 나노 입자는 필름 중심에 분포한다. 또한 고분자를 이루는 단량체의 개수는 나노 입자의 위치에 영향을 주지 않는데, 이는 고분자의 entanglement가 나노 입자의 분포에 관여하지 않는다는 것을 의미한다. 고분자의 entanglement 는 나노 입자의 확산 계수에 거의 영향을 미치지 않았지만, 그에 반해 나노 입자의 확산 계수는 잘 알려진 Einstein relation을 따랐다. 또한 마지막으로 나노 입자의 volume fraction을 증가시켜, 나노 입자의 확산이 Fick’s law를 따르지 않고 non-gaussian 하다는 것을 밝혔다.

LiPF6는 높은 전도성과 용해성 때문에 이것을 기반으로 하는 유기 용매 전해질에 대한 연구는 LIB 산업에서 가장 관심을 많이 받는 분아 중 하나이다. 그러나 LiPF6는 그들 스스로의 aggregation을 통해 dimer-ion pair를 형성한다. Charmm program에서 MD simulation 방식을 통해 DEC 용매 내에서 이러한 불안정성에 대해 연구하였다. HFP의 거리에 따른 결합 자유에너지를 계산해보니 HFP가 dimer로 결합하는 것은 2 kcal/mol의 에너지 장벽만 넘으면 되는 것에 반해 HFP dimer가 해리되는 것은 훨씬 더 높은 14 kcal/mol의 에너지 장벽을 넘어야 한다는 것이 밝혀졌다. 이러한 HFP의 응집 현상은 LIB에서 Li+를 운반하는 통로 역할을 하는 전해질의 수가 줄어드는 것임으로 전지의 기능을 약하게 할 것이다.

많은 단백질들은 여러 개의 domain으로 구성되어 있으며 domain은 독립적인 성격의 단백질의 기본단위이기 때문에 domain별로 modeling을 하기도 한다. 이때 최종적인 단백질 구조를 얻기 위해서는 각각 예측된 domain들의 assembly가 필요하다. 이 연구에서는 domain docking 기반의 접근을 하였으며 기존의 protein-docking tool인 GalaxyTongDock을 개선하여 만든 GalaxyDomDock을 만들었다. 그리고 그 성능을 다른 domain assembly tool인 AIDA(ab initio domain assembly)의 benchmark set 일부를 사용하여 GalaxyTongDock과 비교하였고 그 결과 DomDock이 새로 도입된 linker의 길이에 따른 sampling 제약이 도움이 되어 성능이 개선되었음을 확인하였다.

Cyclic peptides have been recognized as an important class of drug leads because they have pharmacokinetic qualities of small molecules and target binding affinity of biologics at the same time. However, one of the major challenges for developing cyclic peptide drugs is the large-scale synthesis of cyclic peptides with structural and chemical diversity. Enzymatic synthesis of macrocyclic peptides could be a solution for this issue. In this work, we explored the biosynthesis of plesiocin, a member of ribosomally synthesized and post-translationally modified peptides (RiPPs). The Galaxy protein modeling package and molecular dynamics simulation were performed to predict the interactions between the enzyme PsnB, the substrate PsnA, and cofactors ATP and Mg2+. Then the predictions were tested with biochemical experiments. Through this modeling-experiment collaboration, we proposed the reaction mechanism of PsnB where phosphorylation of glutamate in PsnA, enzyme-guided bending of substrate backbone, and intramolecular cross-linking reaction occur in a highly coupled manner.

Kohn Sham Density Functional Theory (KS-DFT) is a widely used method in quantum chemistry. However, KS-DFT shows a serious failure when describing the torsional potential energy surface. Here we show that these errors are derived from inaccurate self-consistent densities and can be corrected using exact densities rather than approximate densities. For Glyoxal and its derivatives, using Hartree-Fock density can reduce the DFT energy error in half.

UV에 의한 유전자 변형은 피부암을 일으키는 하나 원인으로 알려져 있으나 이의 메커니즘 연구는 초보단계이다. 본 연구는 UV에 의한 Thymine의 non-adiabatic 손상 메커니즘을 본 그룹에서 개발한 MR-SF-TDDFT를 이용해 연구하였다. 먼저, non-adiabatic transition의 핵심인 Conical intersection(CI)의 다양한 구조를 구하였다. 이 중 일부가 Thymine의 방향족 고리가 손상되는 CI임을 확인하였다. 추가적으로, CI의 3D Potential energy surface(PES)와 Root mean square distance(RMSD) 및 Energy를 계산하여, UV 흡수 후에 일어나는 Thymine의 다양한 이완 경로를 제시하였다.

메탈로센 촉매는 현대 사회에서 널리 쓰이는 폴리머를 합성하는 데 없어서는 안 될 존재이다. 메탈로센 촉매를 사용할 때 폴리머 물성을 조절할 수 있는 중요한 방법 중 하나는 하나의 단량체만이 아닌 공단량체를 이용한 공중합이다. 공중합 반응을 조절할 때 중요한 것은 공단량체의 종류와 공단량체의 비율, 그리고 공단량체와 공중합체가 어떤 순서로 중합되는지에 따라 결정된다. 본 논문에서는 density functional theory를 이용하여 alkene 공단량체에 따른 free energy barrier를 계산하였고, 그로부터 copolymerization factor를 계산하였다. 공단량체에 따른 free energy barrier에 대한 열역학적 분석을 진행하였고, ethylene 중합 뒤 1-alkene 공단량체가 중합되는 경우 주로 entropy의 영향에 의해 반응 속도가 결정됨을 알 수 있었다. 1-alkene 공단량체가 중합된 뒤 ethylene이 중합되는 경우에는 이와 반대로 internal energy가 반응 속도에 주된 영향을 끼치는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 olefin의 합성에 이용되는 Zr metallocene catalyst에서의 agostic interaction에 대하여 다루었다. Polymerization이 진행됨에 따라 chain의 길이가 늘어나는 것이 agostic interaction에 영향을 주는지에 관해서 계산하였다. 또한 catalyst를 이루는 ligand에 다른 functional이 치환될 경우에 어떤 효과가 발생하는지에 대해서도 조사하였다. 그 결과 늘어나는 chain에서 donation되는 전자들이 agostic interaction에 참여하여 ethylene을 안정화 시키고 energy barrier를 낮추게 되며, electron donating group이 ligand에 치환될 경우, agostic interaction을 방해하여 energy barrier를 높이게 된다는 결론을 얻었다.

효소의 활성-비활성 조절은 수많은 효소에서 나타나는 기작으로, 세포의 항상성 조절에 있어 중요한 역할을 가지고 있다. 우리는 활성-비활성 조절 기작을 가지는 효소의 반응 과정에 대한 전산 모사 실험을 수행하였으며, 기존의 미카엘리스-멘텐(Michaelis-Menten) 이론으로는 설명할 수 없었던 반응 횟수 또는 전환수의 평균 주변으로의 요동을 모델 수립을 통해 정량적으로 해석 할 수 있었다. 이를 통해 효소-기질 복합체가 유지되는 시간들이 어떤 모양으로 분포되는가 보다는 효소의 비활성 상태가 유지되는 시간의 분포 형태가 효소의 전환수 요동의 변화에 더 크게 작용함을 밝혔으며, 그러한 양상이 기질 농도의 변화에 따라 어떻게 달라지는 지 역시 보일 수 있었다.

알츠하이머 질환은 Aβ42 단백질의 응집과 관련이 있다고 알려져 있다. Aβ42 단백질은 무정형 단백질 (Intrinsically Disordered Protein)이며, Amyloid βeta 단백질이 생성될 때 Aβ42와 Aβ40 두 단백질 모두 생성된다. 인간의 뇌 속에 Aβ42 보다 Aβ40단백질이 더 많이 관찰되지만 Aβ42는 Aβ40단백질보다 응집을 더 잘 하는 성질을 가지며 그 응집체는 알츠하이머 질병을 일으키는 것으로 예측된다. 단백질의 응집은 Gibbs free energy의 구성요소인 단백질 내부에너지 (protein internal energy)와 용매화 자유에너지 (solvation free energy)에 의해 일어난다. 본 연구에서는 생체분자의 용매화 자유에너지 계산 프로그램으로 단백질의 응집에 영향을 주는 에너지를 계산하여 단백질 응집 원인을 열역학적으로 규명하고자 한다. 프로그램을 통해 Aβ40와 Aβ42 두 단백질의 에너지에 대한 예측 결과를 비교하였다. 연구를 통해 열역학을 이용하여 Aβ40와 Aβ42 단백질의 에너지를 비교하고 응집의 원인을 규명하는 것은 알츠하이머 질환 연구에 긍정적인 역할을 할 수 있을 것이라 생각한다.

본 실험에서는 EDISON 홈페이지에 탑재된 GAMESS 전자구조계산 프로그램을 비롯한 Gaussian 09 프로그램을 이용하여 SN2 반응에서 calix[4]pyrrole 유도체가 반응경로 상의 Gibbs 자유에너지 변화와 전이상태 에너지에 미치는 영향을 계산하였다. 계산 결과로부터 calix[4]pyrrole 유도체의 음전하 포집 성질에 의해 SN2 반응에서 이온 생성물의 Gibbs 자유에너지가 반응물보다 상대적으로 더욱 안정화되고, 유도체가 없을 때보다 전이상태의 에너지가 더 낮아짐을 확인하였다. 본 계산은 calix[4]pyrrole 유도체를 SN2 반응에서 초분자 촉매로 활용할 수 있음을 보여준다.