일반적으로 어떠한 계의 크기가 커지면 확산계수 (Diffusion coefficient, D) 는 증가하는 것으로 알려져 있다.본 연구에서는 원자의 개수와 계의 크기를 증가시키면서 정방계와 직방계에서의 확산계수를 계산하였다. 확산계수를 계산하는 방법으로 Einstein-Smoluchowski 관계식을 사용하였다. 정방계에서 x, y, z축의 확산계수를 계산해본 결과, 계의 크기와 원자의 개수가 증가할 때 각 축의 확산계수도 같이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 직방계에서 x, y축의 셀 길이를 고정시키고 z축의 셀 길이를 늘여가며 확산계수를 계산해본 결과, x, y축의 확산계수는 정방계와 비슷하게 증가하는 경향을 보였으나 z축의 확산계수는 변화가 거의 없음을 확인할 수 있었다.

우리는 딥펜나노리소그래피에서 일어나는 박막 성장에 관한 잉크 확산 모형을 랜덤 워크 방법을 사용해 구현하였다. 분자동역학 연구를 바탕으로 제안된 hopping down, serial pushing, 단일 밀림 길이를 고려한 모형에 따른 박막 성장 특성을 비교하였다. 모형에 따라 그 박막 성장 특성에 확연한 차이가 있음을 발견하였으며, 잉크 분자와 기판 사이의 결합력이 중요한 변수임을 확인할 수 있었다. 그리고 원자힘현미경 탐침에서 떨어지는 잉크 분자의 속도와 단일 밀림 길이에 따른 박막 성장 차이를 알아보았다. 단일 밀림 길이가 커질수록, 탐침에서 떨어지는 잉크 분자의 속도가 빨라질수록 가지 모양의 박막이 형성됨을 알 수 있었다.

나노과학에 대한 다양한 실험적 연구와 이론적 연구가 활발해지고 전문화 되어감에 따라 나노물질에 대해 연구하는 것은 더욱 중요해지고 있는 추세이다. 현재 고분자 나노물질들은 코팅, 광전자 부품, 자기 매체, 세라믹 등에 활발하게 이용되고 있으며 그 활용 범위가 더 커질 것으로 전망된다. 지난 몇 년간 사각기둥 형태의 구조체 내부에서 존재하는 고분자의 움직임에 대한 연구는 다양하게 진행되어왔다. 그러나 고분자들을 더욱 유용하게 응용하여 이용하기 위해서는 나노입자 기술과 연결시켜 보다 다양한 환경에서의 고분자의 상태를 자세하게 이해해야 할 필요가 있다. 고분자 물질에 대한 이론적 연구는 주로 계산이 용이한 거시적인 모델인 코스그레인(Coarse-grained) 모델을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이루어져왔다. 본 연구에서도 에디슨 서버에 탑재된 코스그레인 모델을 이용한 분자 모델링 시뮬레이션을 통해 제한된 공간 안에서 다양한 구조체들의 내부에서 고분자의 구조를 계산하고, 시뮬레이션의 결과값과 Flory의 공식을 이용한 이론적인 계산값이 얼마나 잘 맞아 떨어지는지에 대해 알아보고자 한다.

본 연구에서는 일치환된 방향족 화합물의 NO2+ 치환반응에서의 반응성 (reactivity)과 지향성 (regioselectivity)에 대해 분석하였다. 기존의 연구에 따르면, 방향족 고리와 치환체 사이의 σ 결합을 통한 유발효과와 π 결합을 통한 공명효과로 인해 벤젠 고리의 전자 분포가 증가하게 되면 반응성이 증가하는 것으로 알려져 있다. 또한 반응중간생성물인 탄소양이온의 안정성을 통해 지향성을 확인할 수 있는 것으로 알려진 바가 있다. 이에 따라, 본 연구에서는 반응성과 지향성이 실험적으로 잘 알려진 7가지의 치환기 (OH, OCH3, CH3, Cl, COOH, CN, NO2)를 선정하여 DFT functional인 B3LYP를 사용하여 natural bond orbital (NBO) 계산을 하였고, 각각의 일치환된 벤젠 고리가 갖는 전자 분포를 σ와 π 전자로 나누어서 보기로 했다. 그 결과, 일치환된 방향족 고리 치환반응의 반응성과 지향성은 σ 결합을 통한 유발효과에 의해서는 영향을 받지 않고, 공명 효과로 인한 반응물의 π 전자 분포에 의해 결정되는 것을 확인할 수 있었다. 이외에도 반응성을 비교 하기 위해 친핵체로 작용하는 일치환된 방향족 고리의 highest occupied molecular orbital (HOMO) 에너지와 친전자체인 NO2+의 lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) 에너지의 차이를 비교하였으며, 친핵체의 HOMO 에너지가 높을수록 반응성이 커짐을 알 수 있었다.

최근 펩티드를 포함한 다양한 물질들의 자기조립 (self-assembly) 나노구조체에 대한 연구들이 많이 진행되고 있다. 이는 이러한 분자들로 구성된 구조체들이 환경친화적이며, 생체 나노구조체를 묘사함을 통해 세포소기관의 기능 역시 모방할 수 있다고 기대되기 때문이다. 만약 분자 수준에서 자기조립을 형성하는 단위체를 살펴본다면 자기조립 나노구조를 개발하는 방법에 대한 통찰을 얻을 수 있을 것이다. 본 연구에서는 최근에 Wen Li 그룹에서 개발한 쉽게 합성할 수 있는 자기조립 펩티드의 적합성을 분자 수준에서 규명하였다. 이를 위해 복제계-맞바꿈 분자 동역학 시뮬레이션 (replica exchange molecular dynamics simulation)을 통해 구조를 샘플링 (sampling)하였고, 얻어진 구조들을 평균 제곱근 편차 (root mean square deviation, RMSD)를 기준으로 클러스터링하였다. 그 결과로 매우 우세한 상대빈도를 보이는 하나의 구조를 얻었으며, 그 구조가 탄소 골격과 잔기의 배열의 측면에서 자기조립 펩티드로 사용되기에 적합함을 규명하였다.

단백질의 구조를 예측하기 위해서 구조가 알려져 있는 단백질 중 진화적으로 유사한 단백질의 구조 정보를 이용하는 Template Based Modeling (TBM) 방법이 현재까지 가장 효과적으로 많이 사용되고 있다. 단백질의 삼차 구조를 이루는 단위 중에서도 고리 부분은 효소 활성 부위 또는 리간드 결합 부위 등으로 작용하여 단백질의 생물학적 기능에 연관되어 있다. 하지만 진화적으로 가까운 단백질이어도 고리 부분은 서열이 잘 보존되지 않아 충분한 구조 정보를 주지 못하고 TBM 방법으로 고리 구조까지 정확히 예측을 할 수 없다. 따라서 TBM 방법으로 예측한 구조의 고리 부분을 주형 정보에 의존하지 않고 다시 예측하여 전체 구조를 정밀화하는 과정이 중요하다. 이번 연구에서는 이를 위해 자유 에너지를 고려한 고리 구조 예측 방법을 적용하여 그 효과를 검증해보았다.

최근 자연의 기능성 표면이 갖는 특성을 모방하고, 이를 과학 기술에 적용하는 연구가 세계적으로 증가하는 추세다. 특히, 초발수 표면은 여러 산업 분야에서 많은 관심을 받고 있으며, 그 활용 분야도 다양하다. 초발수 특성의 광범위한 응용을 위해서, 우리는 최적화된 표면 구조를 효율적으로 제작할 필요가 있다. 본 연구에서는 다양한 제작 공정에 따라 만들 수 있는 표면의 형태를 찾아보고 격자 기체 기반의 몬테카를로 방법을 사용하여 제작 공정에 따른 표면의 초발수 특성을 살펴보았다. 각 공정을 통해 제작된 표면의 초발수 특성을 비교하고, 가장 그 특성이 좋은 구조 및 제작 공정을 제시하였다.

Polynitrogen Compounds (PNC)는 질소만으로 이루어진 물질을 칭하며, 주로 질소간의 단일 결합과 이중결합으로 이루어져 있다. 질소 간 단일결합에너지 38.4kcal/mole에 비해 유난히 큰 229kcal/mole의 삼중결합 에너지 덕택에 PNC는 고에너지 물질로 큰 각광을 받고 있다. PNC는 합성과정이 큰 흡열반응으로 실험이 까다로워 이론적인 연구가 많이 진행되어왔다. 그 중에서 고리형태의 N5-가 안정할 것으로 예측되며, 실험적으로도 발견되었다. N5-를 안정화시키기 위해 많은 연구가 진행되었으며 그 중 하나가 금속과의 결합을 통한 화합물의 안정화이다. 본 연구에서는 N5-와 Cyclopentadienyl(C5H5-)이 전자구조나 기하학적 구조가 매우 유사함에 착안하여 이미 상대적으로 많은 합성이 보고되어 있는 M(C5H5)3, M(C5H5)4의 전이금속 M구조에 대하여 아직 발견되지 않은 M(N5)3, M(N5)4 화합물의 구조와 열역학적 안정성을 알아보도록 한다. 본 연구에서 찾아진 Zr(C5H5)4은 현재까지 실험적으로 보고된 M(C7H7)(C5H5) 클러스터 구조에 비해 질소함유량이 약 67% 더 높다.

효소는 생명 현상을 구현하는 단백질 촉매인데 그 동안 효소의 촉매 반응 속도는 Michaelis-Menten(MM) 모델로 대부분 설명되어 왔다. 그러나 MM 모델은 실험으로 측정된 단일 효소 반응시간의 확률분포 모양을 설명할 수 없다. MM 모델에 반응계수의 정적 무질서 개념을 도입한 효소 반응 모델도 기질 농도에 따라 변화하는 효소 반응시간의 통계적 요동을 설명하지 못한다. 우리는 단일 효소 반응시간의 통계적 요동이 기질에 따라 변화하는 양상을 설명하기 위해 효소 반응을 구성하는 개별 화학반응을 단순히 푸아송 과정이 아닌 갱신과정(renewal process)으로 확장한 효소 반응 모델을 제안한다. 우리는 이 단일 효소 반응 모델과 기질에 따른 효소 반응시간 분산 변화 데이터를 비교하여 효소-기질 복합체의 지속시간 분포를 간단한 형태로 얻어내었다. 또한, 이 정보를 토대로 전산모사를 수행하여 효소 반응시간의 확률분포를 얻어내고, 실제 실험 결과 및 기존 이론들과 비교하였다. 뿐만 아니라 단일 효소 반응시간의 확률분포를 연속 시간 임의의 보행자(continuous time random walker)의 대기시간 확률분포(waiting time distribution)로 대응하면, 평균 제곱 변위가 시간에 따라 단순히 증가 하지 않는 고분자의 특이 수송(anomalous diffusion) 현상도 정량적으로 설명할 수 있었다.

Formamide의 중성가수분해 mechanism은 QM/MM (quantum mecahnics/ molecular mechanics) molecular dynamics simulations및 CPMD과 같은 방법으로 연구되어왔다. 본 연구에서는. Umbrella sampling을 이용한 QM/MM-MD simulation을 사용하여 4가지 반응의 free energy surface를 도출해냈다. 전체적으로, 가장 선호되는 메커니즘은 two step으로 구성된 water assisted stepwise mechanism이었으며 모든 mechanism은 ab-initio calculation과 QM/MM-MD simulation이 수행되었다. water assisted stepwise mechanism을 살펴보면, 첫 번째 step에서 formamide의 carbonyl group이 hydrate되면서 gem-diol intermediate를 형성한다. 다음 step에서, intermediate의 hydroxyl group으로부터 amino group으로 water-assisted proton transfer이 일어난다. 두 반응 모두에서 물이 proton transfer를 직접적으로 도와주는 것을 관찰할 수 있었다. 특히, ab-initio calculation과는 다르게 QM/MM-MD에서는 gem-diol intermediate가 안정화되는 것으로 solvent effect를 잘 보여준다.

The molecular interactions between the nucleic acid bases and water molecules are important in organism. Despite Adenine-Thymine Hoogsteen base pair and Guanine-Cytosine Watson-Crick base pair have been demonstrated to be most stable in a gas phase, the effect of water on the stability of these base pairs remains elusive. Here we report the structural and thermodynamic characteristics on possible Adenine-Thymine and Guanine-Cytosine base pairs in a gas phase as well as in an aqueous phase by using quantum mechanical method and statistical mechanical calculations. First, we optimized the direct base-pair interaction energies of four Adenine-Thymine base pairs (Hoogsteen base pair, reverse Hoogsteen base pair, Watson-Crick base pair, and reverse Watson-Crick base pair) and three Guanine-Cytosine base pairs (GC1 base pair, GC2 base pair, and Watson Crick base pair) in a gas phase at the B3LYP/6-31+G** level. Then, the effect of solvent was quantified by the electronic reorganization energy and the solvation free energy by statistical mechanical calculations. Thereby, we discuss the effect of water on the stability of Adenine-Thymine and Guanine-Cytosine base pairs, and argue why Adenine-Thymine Watson-Crick base pair and Guanine-Cytosine Watson-Crick base pair are most stable in an aqueous environment.

Control of polymer conformations in heterogeneous confinement plays an important role in natural and engineering processes. We present a simulation study on the conformational structure and dynamics of a single, flexible polymer in a dense array of nanoposts with different sizes and separations, especially, when the volume of the interstitial space formed between four nanoposts is less than the size of the polymer chain. When a polymer is placed in the array of nanoposts, the size of polymer increases compared with that in the absence of nanoposts due to the confinement effect. It is shown that when a polymer is confined in the array of nanoposts the chain is elongated in the direction parallel to the nanoposts. As the interstitial volume between four nanoposts decreases either by increasing the nanopost diameter or by decreasing the separation between nanoposts, the chain elongation becomes more pronounced. On the contrary, the polymer size varies in a non-monotonic fashion, with an initial elongation followed by a chain contraction, as the interstitial volume is reduced both by increasing the nanopost diameter and decreasing the separation at the same time while keeping constant the width of the passageway between two nanoposts. The simulation analysis shows that the non-monotonic dependence of polymer size is determined by interplay between the chain alignment along the nanoposts in each interstitial volume and the chain spreading through passageways over several interstitial volume.

본 연구의 목적은 SPC/F2 water model에 대하여 정해진 여러 온도(250K, 280K, 300K, 350K)에서 경수(light water)와 중수(heavy water)의 일정부피 열용량(CV)을 계산하는 것이다. 모의실험은 path integral molecular dynamics (PIMD) 방법을 바탕으로, 계산상에서 물 분자 64개에 대해서 실제 물의 밀도에 맞는 일정한 부피를 설정한 후, 이 때 ring-polymer의 bead수는 양자효과를 보일 수 있는 24개와, 양자효과가 없는1개로 실험을 진행했다. 그 결과로 system의 Cv를 얻었고, 수소 동위원소의 변화, 온도의 변화, 양자조건의 여부에 따라 나타나는 차이를 각각 비교했다. 모의실험 결과로 온도가 낮을수록, 양자효과가 클수록, 수소의 질량이 작을수록 열용량이 증가하는 결과를 보였다.

Active matter는 스스로 에너지를 가지고 움직이는 개체들이 서로 상호작용을 하여 집단적인 움직임을 보이는 물질이다. Rotational noise model은 반발 상호작용과 rotational noise를 가지고 있는 self-propelled particle로 active matter를 설명한다. 이 연구에서는 rotational noise model에서의 상 도표와 클러스터 형성을 알아보고 입자들의 집단적인 운동을 도와주거나 방해할 수 있는 leader 입자와 seed가 클러스터의 운동에 어떠한 영향을 주는지 알아본다.

이 연구에서는 다양한 유기 반응에 등장하는 propellane의 흥미로운 안정성 특성을 이해하기 위해 시뮬레이션을 통해 접근하였다. [1.1.1]propellane은 ring strain이 비교적 약한 [2.2.2]propellane보다도 안정적이다. EDISON에 업로드 되어있는 GAMESS 패키지 및 wxMacmolplt을 활용하여 이러한 현상에 대해 이론적 연구를 진행하였다. 이를 통해 실제로 보고된 이례적인 안정성을 여러 종류의 propellane 분자에 대한 시뮬레이션 결과 비교를 통해서도 확인하였으며, 분자오비탈 모양과 같은 정성적인 시뮬레이션 결과뿐만 아니라 계산된 에너지준위 간격, 진동자 강도 등의 정량적인 수치들 역시 이러한 안정성과 합치하는 결과를 보였다.

본 연구에서는 DFT를 이용하여 Nucleophilicity와 Basicity의 연관성에 대한 계산화학적 분석을 수행하였다. Basicity는 선정된 모델 분자의 protonation 반응에서 생성물과 반응물의enthalpy 변화량인 양성자 친화도(Proton affinity, PA) 값을 구하여 분석하였다. 계산한 결과는 실험을 통해 얻은 PA 결과와 경향성이 거의 일치함을 확인하였다. Nucleophilicity는 모델 분자들과CH3Br (electrophile)의 SN2반응에서 gibbs free energy of activation(ΔGǂ) 값으로 그 경향성을 분석하였다. 또한 용매의 종류를 다르게 하여 용매에 따른 ΔGǂ 값의 경향성도 확인하였다. 각 용매에 따라 구한 ΔGǂ 와 PA의 상관관계를 비교하였으나, 큰 연관성은 보이지 않았다. 이에 ΔGǂ 와 PA의 상관관계를 보여줄 수 있는 parameter를 찾기 위하여 각 모델 분자의Electronegativity와 Polarizability를 계산하여 연관성을 비교해보았다. Polarizability를 적용했을 때 Nucleophilicity와 Basicity사이의 연관성을 나타낼 수 없었던 반면, Electronegativity를 적용하여 Basicity와 Nucleophilicity의 연관성 보일 수 있음을 이론적으로 규명하였다.

Fasciclin 1 (FAS1) is an extracellular protein whose aggregation in cornea leads to visual impairment. While a number of FAS1 mutants have been studied that exhibit enhanced/decreased aggregation propensity, no structural information has been provided so far that is associated with distinct aggregation potential. In this study, we have investigated the structural and thermodynamic characteristics of the wild-type FAS1 and its two mutants, R555Q and R555W, by using molecular dynamics simulations and three-dimensional reference interaction site model (3D-RISM) theory. We find that the hydrophobic solvent accessible surface area increases due to hydrophobic core repacking in the C-terminus caused by the mutation. We also find that the solvation free energy of the mutants increases due to the enhanced non-native H-bonding. These structural and thermodynamic changes upon mutation contribute to understand the aggregation of these mutants.

Alzheimer's disease is one of the most common types of degenerative dementia. As a considerable cause of Alzheimer's disease, neurotoxic plaques composed of 39 to 42 residue-long amyloid beta(Aβ) fibrils have been found in the patient's brain in large quantity. A previous study found that erythrosine B (ER), a red color food dye approved by FDA, inhibits the formation of amyloid beta fibril structures. Here, in an attempt to elucidate the inhibition mechanism, we performed molecular dynamics simulations to demonstrate the conformational change of Aβ40 induced by 2 ERs in atomistic detail. During the simulation, the ERs bound to the surfaces of both N-terminus and C-terminus regions of Aβ40 rapidly. The observed stacking of the ERs and the aromatic side chains near the N-terminus region suggests a possible inhibition mechanism in which disturbing the inter-chain stacking of PHEs destabilizes beta-sheet enriched in amyloid beta fibrils. The bound ERs block water molecules and thereby help stabilizing alpha helical structure at the main chain of C-terminus and interrupt the formation of the salt-bridge ASP23-LYS28 at the same time. Our findings can help better understanding of the current and upcoming treatment studies for Alzheimer’s disease by suggesting inhibition mechanism of ER on the conformational transition of Aβ40 at the molecular level.

D-Psicose 3-Epimerase (DPE)는 D-Fructose의 C3 Epimerase로써 D-Fructose를 D-Psicose로 전환해 주는 효소이다. D-Psicose는 설탕 대신 사용하는 감미료로 몸에 흡수되지 않아 칼로리가 없다고 알려져 있고 자연에서는 오로지 DPE에 의해서만 생산되는 희귀당이다. 이에 따라 DPE를 통한 D-Psicose 대량생산의 필요성이 대두되고 있는 등 이 분야에 대한 관심이 뜨거운 실정이다. 본 연구팀은 이 당과 관련된 작용기작 연구를 수행하기 위하여 아직 단백질 3차구조가 알려지지 않은 Clostridium hylemonae DPE (chDPE) 단백질의 3차 구조예측 연구를 수행 하였다. 우리는 HHsearch를 이용하여 agrobacterium tumefaciens의 DPE 외 2개의 구조를 호몰로지 모델링 연구를 위한 주형으로 선정하였다. 다음으로 PROMALS3D를 이용하여 주형들과 chDPE의 multiple sequence alignment를 수행하였고 이를 바탕으로 3차구조 예측 연구를 수행 하였다. 예측된 구조를 검증하기 위하여 ProSA와 Ramachandran plot분석을 이용하였고 Ramachandran plot에서 단백질의 94.8%에 해당하는 잔기들이 favoured regions에 위치하였다. ProSA에서는 Z-score값이 -9.3으로 X-선 결정학이나 핵자기 공명법으로 밝혀진 구조들에서 관측되는 범위 내에 위치하였다. 나아가 예측된 구조에 D-Psicose와 D-Fructose의 결합모드를 규명하기 위하여 도킹을 시도하였다. 이번 연구를 통하여 chDPE의 구조를 예측 할 수 있었고 이를 바탕으로 이 단백질의 기능을 이해 하는데 도움을 줄 것으로 기대된다.

본 연구에서는 Poisson-Nernst-Plank (PNP) 식의 해를 구할 수 있는 Edison web-based Poisson-Nernst-Plank (EPNP) Solver를 이용하여 나노포어의 이온선택성 및 박막의 유전율, 그리고 이온 농도가 이온 전류와 이온전도도에 미치는 영향에 대해 알아보았다. 계산 결과로부터 나노포어의 이온선택성에 의해 양이온이 이온전류에 미치는 영향이 매우 크며, top buffer와 bottom buffer의 농도가 증가할수록 이온 전도도 (ion conductance)가 비선형적으로 증가함을 알 수 있었다. top buffer와 bottom buffer 간에 농도 차가 있을 때는 농도 차와 나노포어의 이온선택성에 의해 형성되는 Nernst 전위의 영향으로 I-V 곡선이 비대칭적 형태임을 알 수 있었다. 또한, 나노포어의 상대 유전율을 증가시킬 때 I-V 곡선에서의 양이온 전류는 감소했지만 음이온의 전류는 증가하는 경향을 보였다. 이는 나노포어 내에 배열된 쌍극자에 의한 영향과 전하를 가진 입자가 유전경계 (dielectric boundary)에 접근하면서 형성되는 상전하에 의한 영향이 동시에 존재하기 때문임을 알 수 있었다.