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标题: 求助:关于簇模型研究酶催化双自由基过程的审稿意见处理 [打印本页]

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limaolin0    时间: 2024-4-5 12:54
标题: 求助:关于簇模型研究酶催化双自由基过程的审稿意见处理
大家好!我们近期致力于通过簇模型,计算FMN类型酶在光照条件下催化自由基加成反应(详情请见下图)。此反应包含FMN对底物进行的电荷转移激发过程(详见:http://sobereva.com/284),其结果是离去基团(LG)在获得电子后脱离,进一步形成双自由基。我们采用TDDFT(具体为wB97XD/def2-TZVP,参考资料:http://sobereva.com/265)和Multiwfn的IFCT方法,成功计算出在电子激发期间两片段间电子转移的量为0.91个电子(详见:http://sobereva.com/433),这与实验机理高度吻合。接下来,我们利用簇模型,在um062x-D3/def2tzvpp (SMD, eps= 4.0) 以及 ub3lyp-D3BJ/def2svp (gas)的条件下对接下来的亲核取代反应进行了精细计算。考虑到反应的不对称催化特性,我们得到的计算结果(>90% ee)与实验数据(约2.1kcal/mol)非常接近。此外,对于计算模型中关键的氨基酸残基,我们通过突变实验予以验证,证明我们的计算模型能够准确地解释这些实验观察。值得一提的是,双自由基反应过程还牵涉到一定的自旋极化单重态问题,通过采纳Sob老师提供的方法,我们能够轻松获得相关的计算结果(http://sobereva.com/82)。在建模过程中,我们参照了http://sobereva.com/597 以及Fahmi Himo的研究成果(10.1021/jacs.7b0267110.1021/acscatal.0c00983),选用蛋白质的单晶结构(PDB: 3tx9),对活性位点附近的第一层及部分第二层氨基酸残基进行了提取,并固定了末端的碳原子,形成了一个包含约300个原子的系统。鉴于反应底物是非天然的,我们在进行簇模型计算前,先通过分子对接探索了潜在的作用构象。随后,在簇模型中对所有可能的构象(大约15个)进行了详尽计算,并选择了能量最低的构象作为后续计算的基础。
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文章投稿后,我们的实验部分没有什么问题,但是计算方法受到了质疑,审稿人很明显是做MD的,我们课题组暂时也不会做MD计算。主要问题有三点:

1.审稿人了解簇模型但并不精通,似乎对簇模型有敌意。他提到我们的处理方法不对,必须先使用MD进行模拟,再进行建模。但是我查看了Fahmi Himo的或类似工作,似乎并没有MD这一过程,请问在有蛋白质单晶结构的情况下,MD的模拟是必须的吗?另外,为什么审稿人会说簇模型对熵的计算不可靠?
It is surprising to observe that the authors rely solely on docking and cluster modelling without conducting simple MD simulations to confirm the stability and validity of the generated complexes. The authors crudely utilize the crystal structure, add hydrogens, and assume the crystal represents the complex well despite being originally obtained with a different ligand. Moreover, although cost-effective, docking is unreliable for predicting accurate binding poses due to its approximated scoring function. The current calculations appear rudimentary, and the agreement with experimental results is fortuitous. Cluster models are also unreliable for entropy calculation.

2.我是做实验出身,半路出家做了一些计算,并不是很专业,很多计算知识都是来自于咱们论坛。虽然看了很多论坛的文章,但是很多计算化学基本的知识还不是很清楚,希望得到大家的指导。例如:用TDDFT做电荷转移激发的计算有什么不足吗?双自由基体系必须用双杂化泛函进行计算吗?eps的选择依据是什么,必须在8-12吗?我们参考了Fahmi Himo的工作,eps是4.0。
Subsequently, the authors utilized time-dependent density functional theory (TDDFT) to explore electron transfer processes. Could they justify the methodology employed and provide benchmarks for its validity? Biradical systems are known to be  challenging, and it is unclear if the methodology used is the right one for it (um062x-D3/def2tzvpp (SMD, eps= 4.0) // ub3lyp-D3BJ/ def2svp (gas)). I would expect that a double hybrid DFT would be needed for such a system. Additionally, could the authors confirm the absence of spin contamination and justify the use of such low dielectric? Often, e=8-12 is used for protein pockets.

3.簇模型计算已经明显显示tyrosine会有关键作用,我们通过实验进行了验证。但是审稿人却还是要求我们尽量用MD的方式来验证解决。是否可以用簇模型计算突变体对选择性的影响而不需要用MD?或者有其他更好的办法吗?
Finally, the authors mutated key tyrosine residues to phenylalanine to demonstrate the importance of hydrogen bonding in binding and catalysis. However, it remains unclear how these mutations affect the binding of the complex. The authors assume it remains the same, but this should be confirmed via MD simulations before proceeding with expensive DFT analyses. Such simulations can now be efficiently performed in a few days (100 ns a day). Analysis of relevant hydrogen bond interactions alongside MD simulations could also help. Such analyses are likely to be more robust and cost-effective than DFT.

非常感谢大家抽出宝贵的时间阅读我的帖子。如果能提供任何建议或解决方案,我将不胜感激。每一位的专业意见都对我非常重要,我期待着大家的经验分享!感谢大家的帮助和支持!谢谢!



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wzkchem5    时间: 2024-4-5 16:23
1. 审稿人的意见有一定道理,建议跑一下MD,如果MD跑出来的结构和原先的docking的结构差别不大,那docking的结果就是可信的。
熵主要受低频振动的贡献比较大,cluster model如果冻结了边缘原子,相当于人为抑制了很多低频振动;如果不冻结边缘原子,相当于人为让很多低频振动变得更容易了。所以cluster model算熵会引入比较大的误差,不过这个误差是否真的定量上不可接受,需要具体情况具体分析。
2. 如果泛函的HF exchange比例不太高,那么TDDFT算CT态会低估激发能,主要是这个问题;如果HF exchange比例足够高,可以忽略这个问题。双自由基体系未必必须用双杂化泛函,但把M06-2X换成双杂化泛函对总计算时间的影响估计不大,所以没有道理不用更高精度的方法,而且这个计算补起来也快,建议按审稿人的意思补双杂化单点计算。epsilon的选取,引若干篇取4.0的文章,说不仅8-12是常见的取值,4也是常见的取值,并且在你已经做了的计算里挑一个预计溶剂效应比较强的反应,把epsilon改成8算一下,如果结果差别不大,就更进一步说明epsilon取4问题不大。
3. 建议跑MD。正如审稿人所说,只要力场参数都有,几天就补完了
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limaolin0    时间: 2024-4-6 02:49
wzkchem5 发表于 2024-4-5 16:23
1. 审稿人的意见有一定道理,建议跑一下MD,如果MD跑出来的结构和原先的docking的结构差别不大,那docking ...

感谢王老师的建议和解惑!
1.对于熵的计算,cluster model会引入较大误差。但我们在计算时,往往使用的是相同的建模方式,使用不同中间体能量的相对值。在这种情况下,误差之间可以相互抵消,是否可以忽略由于冻结边缘原子带来的熵的不准确性?
2.想再追问一下HF exchange比例不太高,为什么TDDFT算CT态会低估激发能呢?有建议的文献可以分享吗?

再次感谢王老师的建议!谢谢!

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wzkchem5    时间: 2024-4-6 03:38
limaolin0 发表于 2024-4-5 19:49
感谢王老师的建议和解惑!
1.对于熵的计算,cluster model会引入较大误差。但我们在计算时,往往使用的 ...

1. 会让这个不准确性少一些,但是是否可以少到可以忽略,不是太好说。而且大家对于熵的准确度的要求也是逐渐提高的,10年前做比如说QM/MM计算,即使只报电子能,不加零点能,问题也不大;5年前可能起码得加零点能才比较好发;现在逐渐地可能必须要把整个Gibbs自由能校正都加进来了。簇模型也是类似的,再过5年,可能大家普遍要求必须做构象搜索,而且只算最稳定构象还不够,必须考虑构象熵,这都是有可能的。
2. 参见http://sobereva.com/272http://sobereva.com/265




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