화학 결합을 이해하는 중요한 방법 중 하나는 결합이 가지는 고유한 진동 모드를 분석하는 것이다. 진동 모드의 변화를 관측함으로써 다양한 외부 자극과 분자의 상호작용에 대한 연구도 가능하다. 본 연구에서는 전기장이 가해진 물 분자의 진동 모드 변화를 분석함으로써 전기장과 물분자의 상호작용이 화학 결합에 미치는 영향을 알아보았다. 물 분자의 특정 O-H 결합 방향으로 전기장을 걸어주었을 때 신축 진동수의 변화를 살펴봄으로써 결합의 변화를 분석했다. 전기장에 따른 결합의 진동수 변화를 vibrational Stark effect (VSE)라 하고 그 정도를 Stark tuning rate Δμ (= Δν/ΔE, Δν :진동수의 변화, ΔE: 전기장의 변화)로 정의한다. 이때 Stark tuning rate에 영향을 미치는 요소는 전기장에 의한 (1) 분자 구조 변화(geometric effect)와 (2) 전자 구조의 분극현상(polarization effect)으로 나누어 생각해 볼 수 있다. 본 연구에서 물 단일체, 이중체, 사중체의 O-H 결합에 대해 살펴본 결과, VSE 효과에 주로 영향을 미치는 것은 전기장에 의한 구조 변화인 것으로 나타났다. 이를 통해 전기장이 주는 전자 구조 분극 효과는 크지 않지만 이를 통해 유발되는 구조 변화에 의해 진동수 (또는 화학 결합의 세기)가 크게 변한다는 것을 알 수 있다. 그렇기 때문에 수소 결합 안정화로 인해 구조 변화가 쉬운 물 이중체, 사중체에서 VSE 효과가 크게 나타났다. 추가적으로 물 클러스터에서 형성되는 내부 전기장과 O-H 결합의 포텐셜 비조화성 (anharmonicity)이 VSE에 주는 영향에 대한 연구도 수행하였다.

본 연구에서는 동역학적 격자기반 대정준 Monte Carlo (Kinetic Lattice Grand Canonical Monte Carlo, KLGCMC) 모의실험 방법을 이용하여 모델 이온채널 내에서 KCl 과 HCl 의 이온 전류를 시간의 함수로 구하였다. KLGCMC 모의실험 계산 결과로부터 이온채널의 양이온 선택성이 더 큰 것을 확인 할 수 있었다. 또한 모의실험 결과를 통해 각 이온의 확산계수가 전류에 미치는 영향을 확인 할 수 있었다. H+ 이온은 농도가 매우 작음에도 확산계수가 커 전체 전류에 큰 영향을 미쳤다. 반면에 확산계수가 작은 K+ 이온은 이온채널 안에서 쉽게 흐르지 못하고 정체 되며, H+ 이온의 전류흐름을 방해하는 것을 확인할 수 있었고, 이로 인해 이온전류의 패턴이 시간에 따라 변화함을 알 수 있었다.

초발수 표면은 표면이 젖지 않으면서 물방울이 자유롭게 움직일 수 있는 표면을 말한다. 이는 자연에서 많이 관찰되며 예를 들면 연잎, 나비와 곤충의 다리가 대표적이다. 일반적으로 초발수 표면은 물방울과 접촉할 때 이루는 각이 150°보다 크며, 표면을 5°정도 기울이면 물방울이 굴러가기 시작한다. 특히 연잎 표면을 자세히 보면 마이크로/나노 단위의 미세한 돌기가 표면 위에 존재한다. 이러한 연잎 표면의 구조에 따른 특성을 모방하여 표면 위에 인위적으로 다양한 모양, 크기의 돌기를 만들어 표면의 초발수 특성을 향상시키는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 연구가 다양하고 광범위하게 진행되면서, 학문적인 원인 분석 외에도 산업에서의 활용가능성이 주목받고 있다. 이에 따라 이 논문은 전산모사 방법을 사용하여 표면 돌기와 관련된 다양한 변수(돌기의 모양, 높이, 너비, 돌기 사이의 간격, 표면과 물 분자 간의 에너지)에 따라 표면의 초발수 특성이 어떻게 변하는지 연구해보고, 초발수 현상의 특징과 그 발생 원인을 이해하는데 목적을 두며 이러한 연구결과는 실제 산업현장에서 최적의 초발수 표면을 제작하는데 도움을 줄 것이다.

"본 연구에서는 동역학적 격자기반 대정준 Monte Carlo (Kinetic Lattice Grand Canonical Monte Carlo, KLGCMC) 모의실험 방법을 이용하여 비정상 몰분율 효과 (Anomalous mole fraction effect)에 대해서 알아보고자 하였다. 이를 위해 양이온 선택성을 가진 이온채널 모델에서 NH4 +와 Rb+의 혼합물에 대하여 몰분율의 변화에 따른 이온전도도를 KLGCMC 모의실험을 이용하여 계산하고, 이를 평균장 이론인 Poisson-Nernst-Planck (PNP)의 결과와 비교해 봄으로써 비정상 몰분율 효과에 대하여 심도 있게 이해하고자 하였다. 본 연구 결과로부터 비정상 몰분율 효과는 이온채널의 이온 선택성에 의해서 발생함을 확인할 수 있었다. 즉, 두 종류 이상의 이온들이 채널 내부로 이동할 때, 이온채널의 이온 선택성에 의해서 각 이온들과 채널 간에 서로 상이한 상호작용을 하게 되고, 이로 인해서 이온 혼합물 조성의 변화, 즉 몰분율의 변화에 대해서 이온 전류가 선형적이 아닌 비선형적으로 변하게 됨을 알 수 있었다."

단일금속 나노입자에 비해 나노합금입자는 발광이나 촉매력과 같은 여러 특징들이 더 뛰어나게 나타난다고 잘 알려져 있다. 이에 따라 실험적인 연구뿐 아니라 이론적으로도 나노합금입자의 특성과 구조를 밝히려는 노력이 이루어지고 있다. 그러나 대부분의 연구는 자유공간을 상정하여 진행되고 있어, 갇힌 공간 속의 입자에 대한 연구는 부족한 실정이다. 이러한 배경으로 본 연구에서는 Sutton-Chen (SC) 포텐셜을 주요 이론으로 하여, 복제교환 분자동력학(replica exchange molecular dynamics, REMD) 모의실험을 통해 가두는 공간의 크기에 따라 금-팔라듐 나노합금입자(Au17Pd17)의 구조와 특성이 어떻게 달라지는지 EDISON에 등록된 metal_alloy 프로그램(molecular dynamics simulation of metal alloy nanocluster) 을 사용해 살펴보았다. 결과적으로 입자가 상전이 이전의 낮은 온도에서 존재하면, 둘러싼 공간의 크기와 무관하게 안정한 구조의 중심에 항상 팔라듐 원자가 위치한다는 것이 확인되었다. 또, 가두는 공간의 크기마다 상전이가 일어나는 온도 구간의 차이가 나타났으며, 작은 공간에 갇힌 입자일수록 입자의 최대 직경이 작아지면서 상대적으로 높은 에너지를 가지는 구조를 형성하였다. 이는 입자가 존재하는 공간이 좁을수록 에너지의 증가를 통하면서 최대한 공간을 활용할 수 있는 구조를 선택하는 것으로 보인다.

This study attempts to reveal structures of two-dimensional ring polymer solutions in various polymer concentrations ranging from dilute to concentrated regime. Polymer sizes, single molecule structure factors, bond correlation functions and monomer density distribution functions from center of mass are given in order to clarify the polymer structures. Our study shows that a ring in dilute solution maintain pseudo-circular structure with self-avoiding walk (SAW) statistics, and it seems to be composed of two connecting SAW linear chains. In semidilute solutions, ring polymers are not entangled with each other and adopt collapsed configurations. Such assumption of collapsed structures in the semidilute regime gives an overlap concentration of φ*~N-1/2 where N is degree of polymerization. By normalizing the polymer concentration by these overlap concentration, we find universal behaviors of polymer sizes and structure factors regardless of N.

용매화 된 이온들간의 상호작용은 화학을 비롯한 여러 분야에서 중요하게 다뤄지고 있다. 계산화학에 있어 다양한 용매에 용매화 된 이온들간의 상호작용은 분자동력학 시뮬레이션(MD)을 이용한 PMF 계산을 통해 많이 연구되어 왔는데, 본 그룹에서는 물을 표현할 수 있는 다양한 모델과 Salt solution 하에 Na+ 이온과 Cl- 이온 사이 상호작용을 PMF 계산을 통해 알아보았다. 첫 번째로 Polarizable water model인 Tip4p-fq를 사용한 PMF 계산 결과는 아직 진행 중에 있으며 결과적으로는 기본적으로 CHARMM water force field에서 제공해주는 Tip3p 모델 및 양자계산 방법 중 하나인 Ab initio를 이용한 결과와 비교, 분석 할 예정이다. 두 번째로 1M/2M/5M Salt solution의 서로 다른 농도를 사용하여 시뮬레이션 한 결과 1M과 2M에서는 물 속에서 시뮬레이션 한 결과와 큰 차이가 없었으나 농도가 짙은 5M 용매 내에선 Na+이온과 Cl-이온 사이 거리가 멀어질수록 주변 Salt에 영향을 받는 것을 확인 할 수 있었다. 결론적으로 본 연구를 진행함으로써 우리는 서로 다른 전하를 갖는 이온 사이 상호작용에 대한 이해를 더 높일 수 있었다.

Triphenylsulfonium 양이온(TPS)은 잘 알려진 광산 생성자(photoacid generator, PAG)중 하나로 양이온성 중합반응(cationic polymerization)의 개시제로 널리 사용됐으며, 유기발광다이오드의 활성층, 폴리머 발광다이오드의 전자주입층을 구성하는 재료로도사용되고 있다. TPS는 200nm 주변의 빛을 흡수하면 탄소-황 결합이 끊어져 페닐 라디칼과 diphenylsulfonium 양이온 라디칼로 분해되는 것이 알려져 있다. 본 연구에서는 밀도범함수이론과 시간의존 밀도범함수이론을 이용 triphenylsulfonium 이온의 광학적 특성을 조사하였다. 가장 안정한 구조를 기준으로 자외선 흡광 스펙트럼을 계산하였고, 실험값에 잘 맞는 것을 확인하였다. TPS의 빛에 의한 해리 과정을 알아보기 위해 페닐-황 결합길이를 변화시키며 TPS의 흡광 스펙트럼을 계산, 여기상태 포텐셜 에너지 곡선을 구할 수 있었다. 결합의 분해에 이용되는 상태들은 주로 점유 분자 오비탈에서 최저준위 비점유 분자 오비탈(LUMO)로 들뜨는 성분을 가지고 있었는데, 이는 LUMO가 반결합성 오비탈이기 때문이다.

온실가스의 주범을 친환경적으로 활용한다는 측면과 carbon source를 영구적으로 저렴한 비용으로 공급할 수 있다는 경제적 측면에서 CO2를 활용한 고부가가치 화학물질의 합성이 최근에 주목 받고 있다. 본 연구에서는 살렌(salen)-전이금속 착물을 단일 촉매로 사용한 모델 시스템을 통해 고부가가치 소비재의 주된 원료인 고리형 카보네이트 (cyclic carbonate)와 폴리카보네이트 (polycarbonate)가 생성되는 반응경로를 규명하였으며, 이들의 활성화 에너지를 조절함으로써 생성물을 선택적으로 합성할 수 있다는 이론적 근거를 제시하였다.

The Zika virus, which is a member of the flavivirus genus, poses a serious threat to humanity because there is no vaccine or cure. Zika is suspected to cause microcephaly, and it is rapidly spreading throughout parts of Brazil. Surprisingly, there are no known protein structures for the virus which are essential for drug and vaccine development. This paper investigates the Zika virus’s nonstructural proteins with template-based modeling by using GalaxyTBM/Refine/SC. GalaxyDock was used to examine the effectiveness of various known serine protease inhibitors in inhibiting the Zika viral protease. In testing five inhibitors, Kunitz soybean trypsin inhibitor showed the strongest binding affinity (-10.082 kcal/mol). This paper provides a rudimentary foundation for further drug discovery research regarding the Zika virus.

Tumor suppressor protein p53 loses its function upon binding with the HDM2 protein, and inhibiting the p53-HDM2 interaction is critical to suppress tumor cell growth. Recently, the cyclized helix-loop-helix peptide (cHLH) mimicking the α-helix part of the p53 protein has been designed and found to exhibit high binding affinity with HDM2. Here, we report the structural and thermodynamic characteristics of the bound complex of the cHLH peptide with the HDM2 protein. We performed molecular dynamics simulations to investigate the structural features of the cHLH peptide as well as its complex with the HDM2. The binding free energy calculation based on the integral equation theory was also executed to quantify the binding affinity for the cHLH/HDM2 complex and to understand the factors contributing to the binding affinity. We found a variety of factors for the helix stability of the cHLH peptide as well as in the complexation with the HDM2, which may provide an insight into the development of anti-cancer drug designs.

A helical nanosturctrue can be obtained by self-assembly method. Utilizing DPD simulation coarse-grained model, we patterned 2D layer nanosheets with repeated diagonal defects and grafts, and programed to self-roll into hollow helix structure. The defected pattern side caused anisotropy, and formed helix or helix-like structure. This opens the possibility to control the helix pitch or cavity radius. In this work, we designed several patterns about diagonal defect with a variety of defect side densities and defect widths and then simulation was carried out. Thus, our results have that parameters are affecting self-assembly of nanosheets and their conformation.

Hydrophobicity is the key concept to understand the water plays in protein folding, protein aggregation, and protein-protein interaction. Traditionally, the hydrophobicity of protein is defined based on the scales of the hydrophobicity of residue, assuming that the hydrophobicity of free amino acids is maintained. Here, we explore how the hydrophobicity of constituting amino acids in protein rely on the protein context, in particular, on the total charge and secondary structures of a protein. To this end, we calculate and investigate the hydration free energy of three short proteins based on the integral-equation theory of liquids. We find that the hydration free energy of charged amino acids is significantly affected by the protein total charge and exhibits contrasting behavior depending on the protein total charge being positive or negative. We also observe that amino acids in the β-sheets display more enhanced the hydrophobicity than amino acids in the loop, whereas those in the α-helix do not clearly show such a tendency. And the salt-bridge forming amino acids also exhibit increase of the hydrophobicity than that with no salt bridge. Our results provide novel insights into the hydrophobicity of amino acids, and will be valuable for rationalizing and predicting the strength of water-mediated interaction involved in the biological activity of proteins.

"Epidermal growth factor receptor(EGFR)는 HER family에 속하는 tyrosine kinase receptor로서 다양한 하류경로로 신호를 전달하여 세포 증식, 혈관 형성, 세포 사멸을 억제하는 역할을 한다. EGFR이 폐암의 형성에 중요한 역할을 하고 많은 상피세포 종양에서 비정상적으로 활성화됨에 따라 암 치료에 중요한 역할을 하고 있어 EGFR tyrosine kinase inhibitor(TKI)에 관한 많은 연구가 이루어졌다. 위와 같은 약 개발에 있어서 현재 가상 시뮬레이션을 통한 약 후보물질 개발이 진행되고 있다. 특히, Molecular docking 시뮬레이션은 기존의 실험적인 기술(X-ray crystallography, NMR)로는 연구하기가 어려웠던 protein과 ligand간의 상호작용을 예측하여 이에 대한 정보를 제공할 수 있다. 하지만, 우선적으로 Molecular docking 시뮬레이션은 정확한 validation을 기반으로 진행되어야 신뢰할 수 있는 정보를 얻을 수 있다. 따라서 이번 연구에서는 EDISON에서 제공하는 Dock 프로그램과 일반적으로 잘 알려진 Glide, Autodock 프로그램으로 protein data bank(PDB)에서 제공하는 EGFR wild type cocrystal을 redocking하는 방식을 통하여 최상위 rank pose의 RMSD 값을 통한 validation 성능을 비교함으로써 어떤 프로그램이 EGFR과 ligand 간의 결합예측을 하는데 있어서 보다 더 정확한 결과를 낼 수 있는지 알아보고자 하였고 시뮬레이션 결과 Autodock에서 가장 우수한 결과 값을 보여주었다."

Chlorosulfolipids(CSLs)는 1960 년대에 해조류에서 발견되었다. 하지만 당시 기술력으로는 해조류에서 CSLs 를 추출해 내는 것이 불가능하여 연구가 중단 되었다. 그 후로 40 년 뒤 2009 년이 되어서야 CSLs 를 추출할 수 있게 되었다. CSLs 가 독성을 지니고 있다는 연구가 보고 되어 왔다. 하지만 이 CSL 가 형성하는 구조를 실험으로 알수가 없고 아직까지 학회에 보고 된 적이 없다. 따라서 본 연구원이 MD 시뮬레이션을 이용하여 CSLs 가 형성하는 세포막의 구조를 알아보기 위하여 Coarse-grain 모델을 이용한 CSLs 의 Self-Assembly 연구와 이 결과로 인해 얻은 정보로 atomistic 모델을 만들어서 MD 시뮬레이션을 수행하였다.

"Using density functional Theory, we studied local structure of liquid ethylene glycol and 1,3-propanediol. For both liquid, making intramolecular hydrogen bonding is not preferred, because relative energy between with and without intramolecular hydrogen bond is only -1.95kcal/mol, which is far less than intermolecular hydrogen bonding energy, about -7.5kcal/mol. Also, hydrogen bond induce polarization of hydroxyl group and make 2nd hydrogen bond more stronger. This effect was small in intramolecular hydrogen bond of ethylene glycol. When considering energy per hydrogen bond, making only one intermolecular hydrogen bond for ethylene glycol pair is energetically favored, while two intermolecular hydrogen bond can be formed in 1,3-propanediol pair."

이번 연구에서는 현재 반도체 제조 공정에 응용 가능성이 높은 DPN(Dip Pen Nanolithography)의 주요 요소인 탐침과 기판 사이의 물 메니스커스 형성에 관한 것이다. DPN의 해상도가 높을수록 더 미세한 공정을 손쉽게 수행 할 수 있기 때문에 현재 중요한 연구 과제 중 하나이다. 이번 실험에서는 기판과 탐침의 습윤도(wettability), 탐침의 모양 그리고 탐침과 기판 사이의 거리 변화에 따른 물 메니스커스 형성 정도를 실험하였다. 그 결과 탐침이 뾰족할 수록 형성이 잘 되지 않는 것으로 나왔다. 또한 좁은 계(confined system)가 기판과 탐침 사이에서만 형성되는 것이 아니라 탐침 상단에서도 형성되는 것으로 관찰되었다.

"대부분의 단백질-리간드 도킹 프로그램에서 리간드의 구조 유연성은 리간드의 회전 가능한 torsion angle들을 샘플링 하는데 국한된다. 따라서 도킹에 사용되는 초기 리간드 구조의 결합길이, 결합각, ring 구조 등에 따라 단백질-리간드 도킹의 성공여부가 달라질 수 있다. 실제 단백질-리간드 도킹 프로그램을 이용하여 단백질-리간드 상호작용을 연구하는 경우, 리간드의 구조를 임의의 구조 데이터베이스로부터 얻거나 다양한 리간드 3차원 구조 생성 프로그램 등을 이용하여 생성하게 된다. 따라서 리간드의 초기 구조가 단백질-리간드 도킹 프로그램의 성능에 어떤 영향을 주는지 살펴보는 것은 실제 단백질-리간드 도킹을 활용하는 경우에 단백질-리간드 도킹 프로그램의 성능이 어떨 것인지 알아볼 수 있다는 점에서 매우 중요하다. 본 연구에서는 리간드 분자의 초기 구조가 단백질-리간드 도킹에 미치는 영향을 알아보기 위해 30개의 단백질-리간드 복합체 표적에 대해 리간드의 초기 구조를 다양하게 생성하여 GalaxyDock으로 단백질-리간드 복합체 구조를 예측하였다. 도킹을 위한 리간드 분자를 만들 때 Ring library에서 여러 가능한 ring의 conformation을 가져오는 방법으로 리간드의 구조를 다양하게 만들었으며, 도킹 결과 한 가지 모델만 사용했을 때에 비해 도킹의 성공률이 70%에서 80%로 10% 증가한 것을 확인하였다. 또한 특히 구조적으로 유연한 ring이 리간드에 있는 경우 초기 구조가 도킹의 성공률에 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다."

Heat Shock 70kDa Protein 1-Like(HSPA1L)는 Heat-shock protein70(HSP70) family에 속하는 chaperone protein으로 polypeptide folding, assembly, protein degradation 등 다양한 biological processes에 관여하고 있다. HSPA1L은 human methyltransferase-like protein 21A(METTL21A)에 의해 lysine residue에 methylation이 일어나게 되는데, 암세포에서 일반적인 HSPA1L은 주로 세포질에서 발견되는 반면 methylated HSPA1L의 경우 주로 핵에서 발견이 됨으로써 HSPA1L methylation이 암 세포 성장에 중요할 역할을 할 것이라 추측되며 anti-cancer drug target으로 주목 받고 있다. 하지만 현재 HSPA1L의 구조가 부분적으로만 밝혀져 있어 HSPA1L와 METTL21A가 어떤 residue들이 interaction 하여 binding을 하는지에 대해서 아직 밝혀 지지 않았다. 이로 인해 anti-cancer drug target으로서의 연구에 제한이 있다. 이번 연구에서는 homology modeling(Galaxy-TBM, Galaxy-refine)을 통해 HSPA1L 전체 구조를 밝혀 낸 후, HSPA1L 와 METTL21A를 protein-protein docking을 통해 binding pose 예측을 하였다. 이러한 binding pose를 protein interaction analysis하여 HSPA1L과 METTL21A binding에 관여하는 중요 residue들을 밝혀 냈다. 이러한 structural information은 methylated HSPA1L와 암 세포 성장간의 연관성, 더 나아가 anti-cancer drug 개발로 까지도 이어 질 수 있을 것이라 생각한다.

본 연구에서는 Grand-Canonical Monte Carlo 시뮬레이션(GCMC)을 이용하여 서로 반대의 전하를 띤 고분자 전해질의 정전기적 특징을 이해하고, 고분자 전해질 다이오드의 메커니즘을 연구하였다. 고분자 전해질과 서로 반대의 전하를 띤 이온들의 모델은 전하를 띤 free-jointed hard chain과 hard sphere을 이용하였다. 본 연구진은 위와 같은 시뮬레이션을 통해, 평형 상태일 때의 고분자 전해질과 이온의 분포를 연구하였으며, 이 시스템에 전압을 걸어줌에 따라 이온의 이동 모습을 관찰하였다. 또한 전압의 효과와 더불어 고분자 전해질의 농도와 이온들의 크기 변화에 대해서도 연구를 진행하였다.