우리 실험실에서는 양자화학 방법론을 중심으로 한 컴퓨터화학을 통해 금속효소 등의 생화학적 시스템에서의 반응 기작 (mechanism) 을 이론적으로 밝혀내고, 이러한 이해로부터 새로운 효소와 촉매를 디자인하는 연구를 하고자 합니다. 구체적으로, 다음 세 가지 큰 주제로 연구를 진행합니다:
(1) 금속 효소의 반응 기작 연구와 효소의 전산 디자인
전이 금속 촉매는 현대 화학에서 산화 – 환원 반응을 일으키는 데 필수 요소입니다. 특히, 효소는 환경 친화적이며 금속 화합물이 단백질 내에서 잘 보호된다는 이점이 있어, 활용 범위가 매우 넓을 것이라 예측됩니다. 그러나, 원자적 수준에서의 반응 기작을 바탕으로 디자인된 금속 효소는 거의 존재하지 않는데, 실험적 / 이론적으로 이러한 반응 기작을 이해하는 데 한계가 있어 왔기 때문입니다. 우리 연구실에서는 전자 구조의 다전자적 기술을 얻을 수 있는 다참조 이론 (Multireference theory) 을 이용해 금속 효소 내에서의 반응 기작을 규명하고자 합니다.
(2) 생화학계에서의 광동역학 연구
유기화학과 생화학에서 빛이 관여하는 반응이 매우 많습니다. 그러나, 들뜬 상태에서의 분자의 전자 구조와 기작을 조사하는 것은 실험적으로 그리고 이론적으로 어려운 과제입니다. 우리 연구실에서는, 특히 유기 및 생화학계에서의 광동역학과 광화학적 과정에서의 외부 장 (전기장, 자기장) 의 역할을 알아내고자 합니다.
(3) 새로운 양자화학 방법론과 프로그램의 개발
(1) 과 (2) 의 응용 연구를 진행하기 위해서는 분자의 전자 구조를 정확히 기술하는 것이 중요합니다. 안타깝게도, 컴퓨터와 알고리즘의 비약적으로 발전한 현재에도 금속이 포함된 큰 계나 들뜬 상태의 전자 구조를 정확히 기술하는 것은 아주 어렵습니다. 이는 하나의 전자 배치(Single reference) 만으로 이러한 계의 전자 구조를 기술하기가 힘들기 때문입니다. 따라서 단일 참조 이론으로는 부정확한 기술을 피할 수 없게 되고, 신뢰성이 결여된 계산 결과로 이어지게 됩니다. 금속과 들뜬 상태의 전자 구조를 정확히 기술하기 위해서는 다참조 이론이 이상적이지만, 큰 계에 대해선 계산이 아주 비싸고 복잡해, embedding 등의 근사를 이용합니다. 우리 연구실에서는, 이러한 다참조 이론의 계산 비용을 줄이고, 해석적 경사 (analytical gradient) 방법을 개발해 분자 구조 최적화와 동역학 시뮬레이션에 응용하고자 합니다.
국가
대한민국
소속기관
충북대학교 (학교)
연락처
043-261-2290 http://sites.google.com/view/cbnuqbc
책임자
박재우 jaewoopark@cbnu.ac.kr