형광화학센서는 형광분자의 화학적으로 유도된 형광의 소광 또는 증광을 통해 생체 등에서 특정 물질을 관찰할 수 있기에 그 활용도가 높다. 본 연구에서는 두 개의 서로 다른 킬레이트 결합자리를 가지는, 파이렌 이중체를 발색단의 형광분자(Pyex)를 이용하여, PET (photoinduced electron transition)와 AID (absorbance intensity decreasing)의 형광 소광 원리에 집중하여, 전자구조계산과 TD (time-dependent) 계산을 근거로 금속 양이온의 형광 소광 원리를 분류하고, 더불어 그에 관여하는 금속 양이온의 원자오비탈까지 탐색하였다. 그 결과 Pyex와 그 칼륨이온 복합체에서는 실험값과 일치하는 형광이, 납과 은 이온 복합체에서는 소광이 나타났다. 구체적으로는 납 이온의 경우 PET를 주된 원인으로 AID와 함께 작용하여 소광을 발생시키고, 은 이온의 경우는 AID에 의해 소광이 일으키는 것으로 밝혀졌다. 또한 납 이온의 p 오비탈이 소광에 관여하는 것으로 볼 수 있는 결과도 나타났다.

메탄올 용매 내에서 1,2-dichloroethane (C2H4Cl2)의 photo-induced halogen elimination 과정을 계산화학적 방법으로 분석하였다. 특히 실험적 방법으로 분석이 까다로운 중간체 및 반응 메커니즘 분석에 집중하였다. DFT (ωB97XD / aug-cc-pVTZ) 계산을 기반으로 진행하였으며, 추가적인 분석을 위해 중간체 샘플링 프로그램이 사용되었다. 그 결과 C2H4I2 반응계와 유사하게 bridged 형태의 중간체가 생성되는 것을 확인하였다. 또한 반응물, 생성물, 중간체 2개 및 transition states 2개로 구성된 반응 메커니즘을 밝혀내었다.

알츠하이머병은 치매를 유발하는 가장 주된 원인 질환으로 환자들은 인지 장애를 겪게 된다. 현재 치료약으로 사용되는 약으로는 acetylcholinesterase 저해재가 있지만 이 약들의 효과는 미비하다. 그래서 인지기능에 영향을 미친다고 알려진 신경전달물질인 GABA, Glutamate, acetylcholine의 수치를 조절 할 수 있는 5-HT6 receptor antagonist가 현재 개발되고 있다. 현재 여러 antagonist들이 임상실험 되었고, 인지 능력향상에 효과를 보이고 있다. 그러나, 5-HT6 receptor의 구조가 밝혀지지 않아 아직 원자적 수준의 결합 분석이 이루어지지 않았으므로 이 부분에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 Homology modeling을 통해 receptor의 구조를 예측하고, 현재 임상실험 중인 antagonist들 중 7개를 docking을 통해 단백질과 리간드의 결합을 예측하였다. Edison에서 Galaxy TBM과 Galaxy Refine을 사용하여 Homology modeling 한 결과 GPCR의 전형적인 모델에 특징적으로 긴 c-terminal을 가졌다는 것을 확인 할 수 있었다. 생성된 구조를 가지고 Edison의 Dock 프로그램으로 7개의 antagonist가 어떠한 결합을 하는지 분석하였다. 그 결과, binding pose에 공통적으로 Trp102, Asp106, Val107, Pro177, Phe188, Val189, Ala192, Phe284, Phe285, Asn288, Thr306, Tyr310이 관여하는 것을 docking을 통해 알 수 있었다. 특히, Phe285는 7개의 antagonist 중에 4개와의 interaction을 하고 있는 것을 관찰하였다. 이 연구를 통하여 5-HT6에 효과적으로 결합하여 치료효과를 낼 수 있는 신약을 개발할 수 있다.

물 클러스터는 크기에 따라 성질이 달라지는 특징이 있다. 이번 연구에서는 SPC/F2 모델을 적용한 물 클러스터의 전역 최적구조(global minimum structure)를 구하고, 이로부터 상전이 경향을 예측하는 것이 목적이다. 물 클러스터의 분자 동력학 시뮬레이션 중 simulated annealing을 적용하여 얻은 결과에서 가장 낮은 에너지를 가지는 구조가 전역 최적구조가 되었다. 또, (H2O)N 과 (H2O)N±1 사이의 상대적 에너지 안정도와 타 모델의 전역 최적구조의 비교를 통해 일차 상전이(first-order phase transition)와 이차 상전이(second-order phase transition)의 경향은 각각 짝수인 N=8, 10, 12일 때와 홀수인 7, 9, 11일 때로 나뉘었다.

Protein contact map은 단백질 삼차구조에 대한 정보를 이차원의 이미지로 표현하는 방법의 하나로, 비교적 간략하지만 단백질 구조에 대한 핵심적 정보를 함축하고 있다. 이러한 단백질 구조를 바탕으로 단백질의 internal energy, solvation free energy, free energy 와 같은 열역학 함수를 도출할 수 있다. 본 연구에서는 이미지 인식에 대한 머신러닝 기법을 사용하여 단백질 구조를 함축하는 단백질의 contact map으로부터 단백질의 열역학적 함수를 예측하는 연구를 진행하였다. 단백질의 main-chain 간의 contact map, side-chain 간의 contact map, main-chain과 side-chain 간의 contact map 들로부터 단백질의 여러 가지 열역학적 함수를 예측하고자 했으며 최종적으로 Convolution Neural Netwrok (CNN) 기법을 사용하여 단백질의 free energy를 ~18 kcal/mol의 범위에서 예측 가능함을 보였다. 본 연구를 바탕으로 단백질의 contact map과 열역학 함수 사이의 상관관계가 있으며, 머신러닝 기법을 사용하여 단백질 contact map으로부터 열역학적 함수를 예측하는 것이 가능함을 보였다.

현재, 빛을 이용한 화학 연구가 활발히 진행되고 있고 이러한 연구는 양자역학을 기반으로 화학에서 상당히 중요한 부분을 차지하고 있다. 또한 컴퓨터의 발전에 따라 여러 계산 모델들이 개발되고 있다. 본 논문에서는 회전파 근사(Rotating Wave Approximation, RWA)를 통해 라비 진동을 이론적으로 확인하고, 가장 간단한 연속파 레이저와 두 에너지 준위에서 시작하여 레이저 펄스와 두 에너지 준위, 레이저 펄스와 이원자분자인 Na2 분자의 두 전자에너지 퍼텐셜 준위, 그리고 실제 시간 밀도 범함수 이론(Real-Time Time Dependent Density Functional Theory, RT-TDDFT)이란 제일원리 계산을 통해 연속파 레이저와 H2 분자와 C2H4 분자에서까지 관찰하였다. 이 연구를 통해 공명 전이의 경우 펄스의 면적이 π의 홀수 배일 때 완전한 입자 수 전이가 일어나는 펄스 면적 정리를 확인할 수 있었고, 이원자분자인 Na2의 경우엔 펄스의 지속시간도 입자수 전이에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 더 나아가 H2 분자와 C2H4 분자에서는 RT-TDDFT 계산을 통해 라비 진동을 확인할 수 있었고, 두 종류의 기저함수간의 대조를 통해 기저함수 선택의 중요성을 알아보았고, 가장 중요하게는 레이저를 잘 조작하면 입자를 원하는 상태로 들뜨게 할 수 있다는 것이란 결론을 얻게 되었다.

We present a Brownian dynamics simulation study on the diffusion of a neutral tracer particle confined in a regularly crosslinked polymer network, especially, when the tracer size is comparable to the mesh size of the network. Polymer networks with different mesh sizes are prepared and compressed to the extent that the total polymer densities become the same. Irrespective of the network mesh size, the tracer diffusion in the networks is slowed down, showing the subdiffusion on intermediate time scales followed by the normal diffusion at long times. However, the confinement effect on the tracer diffusion becomes more significant when network strands are tightly stretched with smaller mesh size. The time scales of dynamic transitions are analyzed in terms of the probability distribution of time-correlated particle displacements.

본 연구에서는 고분자의 해밀토니안을 Q-state Potts-Model로 근사하여, 2, 3차원 형태의 선형 고분자 시스템을 모사하고자 한다. 고분자 외부에서 힘이 작용하고 있는 경우와 아닌 경우에 대하여 전산모사 결과를 바탕으로 고분자의 크기의 경향성을 확인하였다. 그 결과, 흔히 사용되는 Flory’s Theory와 달리 고분자의 대표적인 특성인 지수(exponent)에 대하여 더 유동적인 관계식을 얻어낼 수가 있었다. 이를 바탕으로, 고분자에서 흔히 사용되고 있는 scaling argument가 잘 적용되는지를 확인해보았으며, 그 결과 일부의 경우에서만 성립함을 확인할 수 있었다.

이번 연구에서는 초발수 재료의 주요 특징 중 하나인 Sliding Angle에 관한 연구이다. 초발수 특성을 지닐수록 낮은 Sliding Angle을 가지고 있다. 하지만 특정 소재에 관해서만 Sliding Angle이 연구가 되어 있고, 접촉각의 변화에 따른 Sliding Angle의 경향성에 관한 연구는 거의 없다. 따라서 이번 실험에서는 접촉각 변화와 기판의 기울기에 따른 액체의 미끄러짐에 대한 특성들을 조사하였다. 그 결과 낮은 접촉각에서도 약간의 미끄러짐이 있음을 관찰할 수 있었다.

암을 억제시키는 기능을 하는 단백질로 잘 알려진 p53은, 주로 종양세포에서 과도하게 발현되는 단백질인 HDM2와 복합체를 형성하여 비활성화되고 항암기능을 상실하게 됩니다. 때문에 종양세포에서의 p53-HDM2의 상호작용을 억제하기 위해 현재까지 많은 연구가 진행되어왔으며, 다양한 p53-HDM2 억제제가 개발된 바 있습니다. 최근 연구들에 따르면, HDM2와 결합친화도를 높이고 소수성 작용(hydrophobic interaction)에 기여하여 보다 안정한 구조를 만드는 탄화수소체인(staple)을 연결시킨 펩타이드 설계에 대한 관심이 높아지고 있는 추세입니다. 이에, 본 연구에서는 분자동역학 모의실험을 통해서 얻은 탄화수소체인-p53과 비탄화수소체인-p53 및 각각의 HDM2와 결합한 복합체를 기반으로 EDISON의 용매화 자유 에너지(Solvation Free Energy) 프로그램을 이용하여 탄화수소체인의 특징 및 역할을 구조적인 측면과 열역학적인 측면으로 분석하여 비교하고자 합니다. 우리 연구에서 비탄화수소체인-p53의 구조는 분자동역학 시뮬레이션을 수행하는 동안 나선구조형태로 풀려 HDM2와 결합 유도 시에 주요결합 아미노산 잔기가 올바른 결합부위와 상호작용하지 못한 결과를 확인한 반면, 탄화수소체인이 형성된 구조는 시뮬레이션 동안에도 펩타이드의 나선구조를 유지시켜 HDM2와 주요 결합을 형성하는 아미노산 잔기들을 올바른 방향으로 배치시켜 HDM2와의 결합친화도를 높였습니다. 이 연구 결과는 탄화수소체인이 펩타이드의 나선성을 유지시키고, HDM2와의 상호작용을 통한 구조적인 안정성 유도 및 용매화 자유에너지에 큰 기여를 통해 p53-HDM2상호작용 억제제에서 긍정적인 역할을 할 가능성을 보여줍니다.

본 연구에서는 동역학 격자기반 대정준 Monte Carlo (Kinetic Lattice Grand Canonical Monte Carlo, KLGCMC) 모의실험 방법과 Poisson-Nernst-Planck (PNP) 계산 방법을 이용하여 이온채널의 전하분포, 채널 반지름, 그리고 이온의 농도와 이온의 크기가 이온전류와 이온전도도에 미치는 영향과, 이온 간 상관관계 (correlation)가 이온전류와 이온전도도에 미치는 영향을 조사하였다. 이로부터 이온 간 상호작용에 의해 이온 이동에 제약이 가해지는 이온 간 상관관계 효과는 채널 내 이온 수가 증가할수록 커지는 것을 알 수 있었다. 또한, 평균장 이론에 기반한 PNP 이론은 이온 간 상관관계 효과를 적절하게 기술하지 못하며, 이온 간 상관관계 효과가 중요해지는 이온 채널 관련 결맞음 공명 (coherence resonance) 등 특이 현상을 연구하기 위해서는 이온 간 상관관계를 기술할 수 있는 KLGCMC 모의실험 방법이 필요함을 알 수 있었다.

Multiscale Simulation은 sub-nano scale의 전자 구조에서부터 macro scale의 multibody system에 이르기까지 다양한 시간/공간 스케일을 관통하는 시뮬레이션 기법이다. 즉, 전자 수준에서의 변화로 인한 분자 전체의 구조 변화와 그에 따른 기능의 변화를 알 수 있는 simulation 방법으로 다양한 스케일에서 분자의 정보를 얻을 수 있다는 점에서 최근 중요하게 여겨지는 시뮬레이션 방법 중 하나이다. 따라서 본 연구에서는 몇 가지의 EDISON_CHEM 솔버들을 조합하여 Multiscale Simulation의 가능성을 제시하고자 한다. 또한, 세부적으로 양자 계산 시에 어떤 이론을 선택하여 계산하면 더 정확한지, basis set 선택 시 발생하는 basis set superposition error(BSSE)로 인한 분자 수준의 물성의 오차는 어느정도 인지 알아보고자 했다.1 본 연구에서는 비교적 간단하지만 온실 가스이자 에너지원으로 각광받고 있는 메탄을 대상으로 하였다.2 다양한 시공간 스케일을 다루는 에디슨 솔버들 중에 양자 수준의 계산을 할 수 있는 솔버로는 “GAMESS”를 이용했고, 이 결과를 통해 분자 수준의 물성을 알아보기 위한 솔버로는 “사용자 지정 역장을 사용한 일반 분자동력학(general_MD)”과 “두가지 서로 다른 종류의 LJ 입자에 대한 분자동력 시뮬레이션 프로그램(sejong_lj))”을 이용했다. 메탄의 상 전이 과정에 대한 연구 결과 Hartree fock (HF) self-consistent theory를 통해 얻은 force field 보다는 Second-order Møller–Plesset (MP2) perturbation theory로 얻은 force field가 더 정확한 상 전이 온도를 예측한다는 것을 메탄의 coarse-grained simulation을 통해 알 수 있었다. 또한, MP2 이론으로 구한 force field에서 BSSE를 보정해주면 실험적으로 구한 메탄의 상 전이 온도와 더 근사한 값의 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있었다.3 이를 통해 전자 간의 상호작용을 더 정교하게 계산하는 MP2 이론으로 force field를 구해서 BSSE를 보정해주면 계산의 결과가 정확해진다는 것을 알 수 있었으며 이것이 EDISON_CHEM의 솔버들로 가능하다는 것을 제시하였다.

Polymer collapse transition에 대한 연구가 많이 진행되어왔다. 허나 각각의 microstate에 대한 entropy나 free energy에 대한 계산을 하지는 못하였다. 최근 local nonequilibrium thermodynamics와 관련한 논문이 발표되었는데 이는 비평형 상태에서의 각각의 microstate에 대한 확률 분포를 결정하는 물리량을 발견 및 특성을 규명하여 이 중 특별한 상태가 지니는 “information” 이라는 양이 내부에너지와 엔트로피와의 상관관계가 있음을 보였다. 또한, 이러한 information theory를 이용한 Shannon entropy를 사용하여 entropy를 정의하고 free energy와 같은 물리량을 계산하였다. 따라서 이를 이용하여 information theory를 이용한 Shannon entropy와 이로 정의된 free energy를 이용하여 polymer collapse중 entropy 및 free energy를 계산하였다.

이번 연구에서 우리는 궤적 앙상블을 이용해 1차원 Ising 모형의 동역학적 상전이를 관측했다. s앙상블이라고도 불리는 궤적 앙상블은 활성도의 켤레 변수를 도입해 활성도에 편중을 두어 궤적을 추출한 앙상블이다. 평형상태에 있는 1차원 Ising 모델에서는 외부 자기장이 존재하지 않을 때 상전이가 나타나지 않는다. 하지만 s앙상블을 통해서 우리는 1차원 Ising 모형에서 동역학적 상전이가 존재한다는 사실을 발견할 수 있었다. 이 동역학적 상전이는 유한 크기 조정 법칙이 잘 적용되며 2차원 Ising 모형과 같은 보편성 등급을 가진 것을 통해 두 상전이가 서로 연관되어 있다는 것을 알 수 있었다. 또한 열역학적 함수인 에너지와 동역학적 함수인 활성도 사이에 선형관계가 존재하는 점을 통해 동역학적 함수와 열역학적 함수 사이의 관계가 존재하는 것을 확인했다. 마지막으로 또 다른 열역학적인 함수인 자화도에 편중을 두었을 때 동역학적 상전이가 일어나는 임계점이 이동하는 것을 통해 에너지 외의 다른 열역학적 함수도 동역학적 함수와 연관된다는 것을 알아냈다.

We explore the inverse electron demand Diels-Alder reactions of tetrazines with various functional groups employing quantum calculations. In general, the rate of inverse electron demand Diels-Alder reaction depends on molecular orbital levels of electron donor and electron acceptor. Likewise, π orbital of the dienophile and π* orbital of the diene is a key factor. In this work, we discuss the case where the energy of diene’s π* molecular orbital is not the sole governing factor to determine the reaction rate, rather the rate shows strong correlation with the charge density of dienes.

We present a study of transition metal compounds using density functional theory (DFT), and density-corrected density functional theory(DC-DFT). By replacing the self-consistent density with that obtained from Hartree-Fock calculation, i.e., HF-DFT, the abnormality driven by self-interaction error is removed in several important cases. We discuss when and how HF-DFT works by examining 3d orbital dimers using approximate functionals and by comparing the results from self-consistent-DFT and HF-DFT with experimental values.

Diels-Alder 반응은 고리형 탄소화합물을 만드는 유기 합성 과정에서 매우 중요한 반응이다. 이 반응은 중간생성물 없이 오직 1 step으로 진행되는데, diene이나 dienophile에 결합한 치환기의 electron donating 및 electron withdrawing 성질에 따라 반응성이 달라진다고 알려져 있다. 이 때 반응물인 diene과 dienophile의 분자 오비탈 및 전이 상태의 에너지 변화를 계산화학을 통해 분석한다면 Diels-Alder 반응을 보다 심도 있게 이해할 수 있다. 이에 따라 본 연구에서는 DFT 계산을 통하여 치환기에 따른 활성화 에너지의 크기와 diene의 nucleophilicity 및 dienophile의 electrophilicity를 비교하였다. 이를 통해 electron withdrawing group의 경우 분자의 electrophilicity를 증가시키고, electron donating group의 경우 nucleophilicity를 증가시킨다는 것을 확인할 수 있었다. 그 결과, Diels-Alder 반응이 일어날 때 dienophile의 경우 치환된 electron withdrawing group에 의해 electrophilicity가 증가함에 따라 활성화 에너지가 낮아져 반응이 잘 일어나고, 반대로 diene의 경우 electron donating group이 치환되어 있을 때 nucleophilicity의 증가에 따라 반응이 잘 일어난다는 것을 알 수 있었다.

Auxin response factor (ARF) and Aux/IAA transcriptional repressor family proteins play a major role in auxin’s signalling process. Using the GALAXY protein modelling programs, monomer, dimer and oligomer structures of Aux/IAA17 and ARF5 protein were predicted based on the known experimental structures. By analysing the proposed complex structures, key interacting residues on binding site could be determined, and further suggestions for experimental studies were made.

유기 화학에서 Aromatic 화합물은 내부 전자의 비편재화로 인해 부가적인 에너지적 안정성을 얻는 화합물을 일컫는다. 이러한 화합물의 aromaticity를 판단하는 보편적인 기준으로는 Huckel’s rule이 널리 알려져 있다. 그러나 Huckel’s rule은 복잡한 화합물에서는 적용이 어려울 뿐 아니라 최근에는 Huckel’s rule에서 벗어난 aromatic 화합물이 보고되고 있다. 따라서 본 연구에서는 Huckel’s rule의 한계를 보완하고자 aromatic 화합물의 에너지적, 구조적, 자기적 성질을 계산화학적 방법으로 분석하고 이를 토대로 체계적인 기준을 제시하였다. 본 연구에서는 동일한 수의 탄소와 수소로 구성된 CnHn 형태의 annulene 또는 annulene 라디칼과 이들의 이온을 계산 대상으로 설정하여 homodesmotic stabilization energy (HSE), C-C결합 길이, nucleus-independent chemical shift (NICS)를 산출해내기 위한 density functional theory (DFT) 계산을 수행하였다. 그 결과 aromatic 화합물은 공통적으로 0보다 큰 HSE 값을 가지며 C-C결합 길이가 비교적 일정하고 0보다 작은 NICS 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다.

Prion is a group of the proteins known for its infection mechanisms of Creutzfeldt-Jakob disease (CJD) and other diseases. Solved structures and proven biological roles of fungal prions add tremendous potential to conducting computational simulations. Our research focuses on the binding dynamics of HET-s(218-289), one of the heterokaryon fungal prion originated from Podospora anserina, by calculating the binding free energy using umbrella sampling at 300 K. The binding free energy calculated was -54.5 kcal mol-1, relatively similar to the binding energy of other amyloid fibrils. The simulation result suggests the thermodynamic properties of β-solenoid of HET-s prion and its similarity in dissociation pathways compared to amyloids.