"The intramolecular magnetic coupling constant (J) values of diradical-based magnet models (S1-S5) were studied using unrestricted density functional theory. The model systems were designed with series of oxoverdazyl radicals (o-Ver(N) and o-Ver(C)) linked through a benzene coupler. They were divided according to either connectivity of the radical (C or N) or geometrical topology (meta- and para-) of benzene coupler. Reasonable relationship was found between spin density distribution and sign of J value.With our results we determined ferromagnetic (positive J value) and antiferromagnetic (negative J value) interactions. J values were also calculated along the twisting movement by the scan of dihedral angles between the radical and the coupler. An overall trend was found as absolute value of J decreased over increasing torsion angles."

2012 년 G 단백질 연결 수용체(G-Protein Coupled Receptors ; GPCR) 연구가 노벨 화학상을 받았다.1 상당히 많은 병과 관련되어 있어 잠재력이 크고, 많은 연구가 진행 중이다.2 현재 리간드와 단백질간의 정전기적 포텐셜 연구를 통한 예측 연구가 진행되고 있지만,3 GPCR 과 리간드 간의 연구에서 아직 리간드의 전하를 통한 단백질과 리간드간의 상호작용 예측 연구가 되어 있지 않다. 그렇기 때문에 이번 연구에서는 8 가지 방법으로 전하(charge)를 띠게 하여서 단백질과 리간드의 상호작용을 계산을 통하여 예측하여 보았다.

카이랄 α,β-불포화 N-Acyloxazolidinone 은 Diels-Alder 반응의 친다이엔체로서 dialkylaluminium chloride 촉매하에서 높은 반응성과 부분입체선택성을 가지는 것이 이미 실험적으로 알려져 왔다. 제안된 Diels-Alder 반응의 메커니즘을 토대로 진행한 DFT 계산에서 dimethylaluminium chloride(이하 DMAC)는 TiCl4 에 비해 높은 endo 선택성을 띄는 반면, TiCl4 는 부분입체선택성에서 우세했다. 특히 DMAC 는 현저히 낮은 활성화 에너지를 나타내어 이론적으로 반응속도의 측면에서 상당한 이득이 있음을 예측할 수 있다. 또한 chiral auxiliary 로서 phenyl 과 isopropyl 은 구조적인 차이로 인해 선택성에서 역시 차이를 보였다. 계산화학적인 방법을 통한 입체선택적 Diels-Alder 반응의 분석은 알려진 메커니즘에 대한 명확한 증거를 제시할 뿐만 아니라 다른 유기합성 반응에 있어서 새로운 반응을 개발하는 데 이론적인 근거를 뒷받침 한다.

Jianbo Wang 의 그룹에서 최근 발표한 무촉매 분자 내 탄소-탄소 결합 형성 반응의 메커니즘을 계산 화학적으로 평가한다. 이 반응은 금속 촉매를 사용하지 않는다는 점과 Bio activity 를 갖는 Hydroxy-substituted Polycyclic Aromatic Compound (PAC)를 손쉽게 합성할 수 있다는 점에서 중요하다. Diazo moiety 를 갖는 분자의 반응이 일반적으로 진행할 수 있는 세 가지 반응 경로가 제시되었고, DFT functional 을 이용해 중간체 및 전이 상태에 대한 최적화 구조 및 에너지를 얻었다. 탄소-탄소 결합의 원천을 탐구하기 위해 Natural bond orbital charge calculation 과 치환기 효과에 대한 계산이 수행되었다. 계산 결과, 중간체로 Triplet carbene 을 형성하는 경로가 가장 불안정한 중간체를 형성했고, Tosylate 가 해리되기 전 탄소-탄소 결합이 형성되는 경로가 가장 합리적인 반응 경로임을 알 수 있었다.

원자 힘 현미경(Atomic Force Microscopy, AFM) 탐침과 표면 사이의 좁은 틈에서 형성되는 나노미터 크기의 물 메니스커스는 AFM 을 사용하여 측정하는 이미지에 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 격자 기체 기반의 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 탐침의 곡률과 결합 에너지 특성이 메니스커스의 형상과 그로 인해 발생하는 모세관 힘에 어떠한 영향을 미치는지 알아보았다. 일반적으로 탐침의 곡률이 커질수록, 친수성이 작아질수록 메니스커스 폭은 좁아지고 모세관 힘이 줄어드는 것을 확인하였다.

그래핀에 대한 이론 연구는 주로 계산이 용이한 코스그레인 (Coarse-grained) 모델을 이용한 분자동역학 시뮬레이션을 토대로 이루어져 왔다. 하지만 그래핀 고분자 복합체, 표면이 개질된 그래핀의 구조 등에 대한 원자 수준의 총체적인 정보는 거시적인 (Macroscopic) 코스그레인 모델을 바탕으로 한 분자동역학 시뮬레이션으로는 얻을 수 없다. 따라서 본 연구에서는 전자 구조 계산 및 원자 수준 모델의 Born Oppenheimer Molecular Dynamics 를 이용하여 작은 그래핀 분자의 구조 (Structure)와 형태동역학 (Conformational Dynamics)에 대한 정보를 얻고, 이를 바탕으로 한 코스그레인 모델을 구축하였다. 더 나아가 이 코스그레인 모델을 이용하여 전기전도성 네트워크와 고분자-그래핀 복합체의 구조 등에 대해 살펴보고자 한다.

Phenylalanine Ammonia Lyase (PAL)는 phenylalanine 의 산성도가 더 큰 ammonium hydrogen 과는 반응하지 않고 그것의 nonacidic β proton 을 제거하는 역할을 한다. Phenylalanine 은 electrophilic 그룹을 갖고 있으며 지난 30 여년 동안 phenylalanine 의 electrophilic 그룹이 PAL 의 반응 기작에 중요한 역할을 한다고 믿어왔다. 그러나 최근 Xray 와 UV spectroscopy 를 통하여 상당히 electrophilic 한 5-methylene-3,5- dihydroimidazol-4-one (MIO) 그룹이 발견되었다. 이전의 연구들은 실험을 통하여 MIO 와 관련된 electrophile 에 의한 Friedel-Crafts Attack 메커니즘과 electrophile 에 대한 nucleophilic addition 메커니즘을 제시하였으며, 본 연구진은 양자계산을 통하여 두 가지 메커니즘의 에너지 차이를 살펴봄으로써 더욱 합리적인 메커니즘을 제시, 규명하고자 한다. 본 연구에서는 특히 electrophile 에 대한 nucleophilic addition 메커니즘에 대하여 양자계산을 이용하여 반응물, 생성물, 전이상태의 분자 구조를 제시하고 반응이 일어나는데 필요한 에너지를 계산하고자 한다.

본 연구는 두개의 서로다른 LJ 입자가 혼합된 계에 대하여 이들 사이의 LJ parameter 변화가 어떠한 영향을 미치는지 모의실험을 하였다. 조사 대상은 비활성 기체인 He 과 Xe 을 기준으로 하여 이들의 LJ parameter 를 기준값으로부터 일정하게 변화시키며 열용량을 관찰하여 진행하였다. 분자간 상호작용만을 고려하여, 단원자 기체인 비활성기체의 Lennard-Jones potential energy 를 구하였다. Epsilon 값과 sigma 값을 바꿔 Lennard-Jones potential energy 의 변화를 알아보고자 한다. 본 연구를 통해 sigma, epsilon 값이 클수록 Lennard-Jones potential energy 가 커진다는 것을 알 수 있었다.

NPT ensemble을 이용하여 Joule-Thomson 반전 곡선 (Joule-Thomson inversion curve, JTIC)를 구하는 기존의 모의실험 방법들과는 달리, 본 연구에서는 NVT 분자동역학 모의실험을 이용하여 JTIC를 구하는 방법을 개발하고, 이 방법을 이용하여 아르곤 기체의 JTIC를 구할 수 있음을 보인다. 본 연구 결과를 실험 및 다른 이론들과 비교, 분석한 결과, 낮은 온도에서의 JTIC는 실험 및 이론 결과와 유사한 반면, 높은 온도에서는 일정 정도의 차이를 나타냄을 알 수 있다. 이 차이는 분자동역학 모의실험에 사용하는 적은 입자 수와 모의실험 시간, 그리고 curve fitting 방법 등에 기인하는 것으로 여겨진다. 또한 본 연구를 통하여 NVT 분자동역학 모의실험 방법만 가능한, EDISON 계산화학 프로그램 중 하나인 “Mixed LJ(12-6) particles MD”가 JTIC를 구하는데 유용하게 사용될 수 있고, 이를 통해 학부생들이 열역학의 기본 개념을 이해하는데 도움을 줄 것으로 기대한다.

Understanding interactions between nanoparticles and lipid bilayer membranes is of great importance due to the potential applications in bio-nanotechnology such as drug deliveries, carrying genes, and utilization of integral membrane proteins. To investigate the dynamics of nanoparticle penetration and translocation into membranes, we performed dissipative particle dynamics simulations which use simple and intuitive coarse-grained models yet effectively describe hydrodynamic interactions in cell environment. We discuss the influence of the shape of nanoparticles as well as the properties of membranes including large membrane-embedded proteins that are found to significantly affect orientation of nanoparticles within membranes and, in turn, the minimum force required to translocate nanoparticles.

Diels-Alder 반응은 유기합성에서 중요하게 다뤄지는 고리형성 반응으로 위치 선택성과 더불어 단일 단계 반응이기에 특이한 입체 선택성을 갖는 것으로 알려졌다. 그러나 실제로는 단계적 반응 경로도 존재할 수 있음을 발견하였는데, 이 경우에 갖는 위치 선택성과 입체 선택성은 달라질 가능성이 높다. Density Functional Theorem(DFT)로 계산한 결과, 비대칭 Diels-Alder 에 대해 단계적 반응의 경우에도 마찬가지로 유사 ortho 형태에 endo 지향성을 나타내었지만 대칭 Diels-Alder 반응에 비해 단계적 반응이 일어나기 힘들다는 결론을 얻을 수 있었다.

생물정보학의 다양한 이론적 내용과 계산적 방법들이 갈수록 전문화 되어짐에 따라 신약 개발, 신 물질 합성, 단백질의 구조 예측 등 다양한 분야에서 필요성이 커져가고 있다. 이중 molecular docking 기술은 단백질과 특정 분자간의 결합 형태를 분자 모델링 기법을 통해 알아내는 방법이며 신약개발 연구에 큰 영향을 미치고 있다. Molecular docking 을 통하여 분자간의 결합 형태를 예측하는 과정에서 Protein-ligand complex 의 정확한 에너지 측정을 가능하게 하는 scoring function 이 필요하다. 그런데 본 연구에서 사용한 B-Raf kinase protein 은 active site 부분에서 ligand 와 receptor 간에 aromatic ring 로 인한 π–π interaction 이 정확한 에너지 계산을 어렵게 한다. 이러한 π–π interaction 부분의 에너지를 정확하게 계산하기 위해 양자역학 계산을 실시하였다. Active site 부분에서 ligand 와 receptor 에서 발생하는 각각 다른 5 개의 π–π interaction 구조를 준비하여 Gaussian 을 통해 양자역학 에너지를 계산하였다. 그리고 이러한 결과 값들이 ligand 의 활성 값과 어떤 상관관계를 갖는지 살펴보았다. 그 결과 π–π interaction 을 양자역학으로 계산한 값이 그렇지 않은 것보다 더 좋은 상관관계를 보여주었다. 이는 특별한 구조의 영향으로 ligand 와 receptor 간의 결합에너지를 정확하게 계산하기 어려운 문제에서 양자역학을 적용할 경우 더욱 좋은 결과값을 얻을 수 있었다. 또한 이러한 데이터가 신 물질 개발이나 신약 개발 등의 다양한 분야에서 계산화학 방법이 신뢰성을 얻는데 도움 될 수 있다고 생각된다.

The computational study on the fluoride ion binding with bis(bora)calix[4]arene has been performed using density functional theory and ONIOM model. The computed structure and fluorescent behavior of bis(bora)calix[4]arene was corresponded to experiment value. The binding energy for fluoride anion is computed to be 28.05kJ/mol in the chloroform solution. We also predicted that this sensing mechanism is only valid for fluoride ion in halogens. By analyzing molecular orbitals, binding with fluoride ion reduces energy differences between HOMO and LUMO, which leads to fluorescent sensing.

최근 이상기후의 원인으로 손꼽히는 물질의 중심에는 이산화탄소가 있으며 이를 제거하기 위한 여러 연구가 진행되고 있다. 최근에는 전극이 있는 수조에 미생물을 넣고 이산화탄소를 화학적 에너지로 사용할 수 있도록 알코올로 변환시켜주는 시스템이 발표되었다. 이에 따라 본 연구진에서는 이러한 전극 시스템에서 이용될 수 있는 효소를 찾고 효소촉매화 반응의 메커니즘을 자세히 연구하고자 하였다. 본 연구에서 사용된 효소인 Formate dehydrogenase (FDH) 는 formate 를 조효소인 nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) 를 사용하여 이산화탄소로 산화시키는 반응을 촉진시키는 효소이다. 본 연구에서는 이러한 FDH 의 산화반응의 역반응을 이용하여 이산화탄소를 효과적으로 분해하는 메커니즘을 연구하기에 앞서 wild type 의 반응 메커니즘에 대해 깊이 연구하고자 B3LYP 방법의 양자계산을 하여 반응의 transition state 와 potential energy 를 조사하였다.

두 물질의 단순 혼합물에서 각 물질이 어떤 상을 가지고 행동하는지는 순수 과학은 물론이고 그것을 적용하는 공학에서도 역시 중요하다. 계를 표현하는 여러 가지 방법이 있지만, Lennard-Jones potential 이 그 중 가장 단순하면서도 효과적이기 때문에 널리 쓰인다. 이 연구는 입자간의 에너지가 Lennard-Jones potential 로 표현된 혼합물의 상변화를 Chemworks2 의 “Mixed LJ particles MD” 프로그램으로 모사 실험 하고, 그 결과를 방사 분포 함수를 통해 분석했다. 분석을 통해서 Lennard-Jones 상수가 다른 두 가지의 경우에 대하여 각각 혼합물의 온도와 밀도 변화에 따른 상변화가 다르게 나타나는 것을 보였다.

무어의 법칙에 따르면, 반도체의 집적도 2 년마다 2 배씩 증가한다고 한다. 무어의 법칙은 지금까지는 집적회로 기술의 발전을 잘 예측했다. 하지만 트랜지스터의 사이즈를 줄일수록 누수전류와 회로의 저항을 조절하기 어렵기 때문에 트랜지스터의 소형화에는 한계가 있다. 우리는 곧 무어의 법칙의 한계를 맞이할 것이다. 그래서 트랜지스터를 더욱 소형화시키기 위해서는 bottom-up analysis 가 필요한 시점이다. Top-down analysis 가 초기의 커다란 트랜지스터에서 점점 소형화를 시켜 작은 트랜지스터를 만든다는 개념인 반면, Bottom-up analysis 는 처음부터작은 분자를 조작하여 트랜지스터와 같은 성질을 띄도록 만드는 개념이다. 분자가 기억소자로서 이용되려면 저항이 다른 2 가지 안정한 상태가 필요하다. 이번 연구에서 나는 기억소자를 디자인 하기 위하여 high spin state 와 low spin state 두 가지 안정한 상태를 가지는 spin crossover complex 를 이용하기로 했다. 이전의 연구에서 spin crossover 는 전기장을 이용해서도 유도될 수 있다고 확신하였고, 이를 이용해서 기억소자를 디자인하기로 하였다. 이번 연구를 위해서 symmetry 를 가지는 octahedral spin crossover complex 를 디자인하였고 이를 ‘기억 분자’라고 명명했다. 그리고 이 분자의 high spin state 와 low spin state 가 전기장을 이용하여 서로 바뀔 수 있는지 가능성을 DFT with B3LYP functional 을 이용해서 비교했다. 그 결과로 전기장을 이용하여 기억분자의 spin crossover 을 일으킬 수는 있지만 abnormally strong electric field 를 써야 한다는 사실을 알아냈다. 이번 연구를 토대로 추후의 연구를 위해, 기억소자가 되기 위하여 분자가 어떤 특징을 만족시켜야 하는지를 분석했다.

Dopamine agonists and antagonists and its receptor play a critical role in the information transfer in the nervous system, and dopamine receptor-ligands interactions are deeply related to Parkinson’s disease, schizophrenia and some other mental diseases. However, the only experimental 3D structure available for dopamine receptors is human D3 dopamine receptor. Therefore, it is important to create model of subtype dopamine receptor-ligands interactions. We report here the 3D structures of the human D1 and D2 dopamine receptor predicted by using GalaxyTBM, and its predicted binding site determined by using GalaxyDock. The highly conserved Asp on TM 3 and Phe on TM 6 have critical role in ligand binding. Also, highly conserved serines on TM 5 are essential for binding agonists and some kinds of antagonists. We identify differences between binding sites of agonists and antagonists of human D1 and D2 dopamine receptor, and find the reasons of selective binding of antagonists.