[論文レビュー] Is density functional theory accurate for lytic polysaccharide monooxygenase enzymes?

Ernst D. Larsson, Geng Dong+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2019

Metal-Catalyzed Oxygenation Mechanisms参考文献 76被引用数 30

ひとこと要約

本研究は、リティック多糖類モノオキシゲナーゼ（LPMO）酵素の中間体である[CuO2]+、[CuO]+、[CuOH]2+のスピン状態分裂を予測するための密度汎関数理論（DFT）の正確性を評価する。高精度基準として多配置摂動理論（CASPT2）を用い、著者らはDFTが多配置性を示す系、特に[CuOH]2+において、スピン状態分裂を系atically過小または過大に予測していることを発見し、機械的LPMO研究における信頼性に懸念を呈する。

ABSTRACT

The lytic polysaccharide monooxygenase (LPMO) enzymes boost polysaccharide depolymerization through oxidative chemistry, which has fueled the hope for more energy-efficient production of biofuel. We have recently proposed a mechanism for the oxidation of the polysaccharide substrate (Hedeg{\aa}rd & Ryde, Chem. Sci. 2018, 9, 3866). In this mechanism, complexes with superoxide, oxyl, as well as hydroxyl (i.e. [CuO2]+, [CuO]+ and [CuOH]2+) cores were involved. These complexes can have both singlet and triplet spin states, and both spin-states may be important for how LPMOs function during catalytic turnover. Previous calculations on LPMOs have exclusively been based on density functional theory (DFT). However, different DFT functionals are known to display large differences for spin-state splittings in transition-metal complexes, and this has also been an issue for LPMOs. In this paper, we study the accuracy of DFT for spin-state splittings in superoxide, oxyl, and hydroxyl intermediates involved in LPMO turnover. As reference we employ multiconfigurational perturbation theory (CASPT2).

研究の動機と目的

• キーモデルLPMO中間体のスピン状態エネルギー分裂を予測するDFTの信頼性を評価すること。
• LPMOにおける多配置性を示す銅酸素種に適用されたDFT関数の系統的誤差を特定すること。
• 高精度CASPT2計算を基準として、DFT結果と比較し、正確なスピン状態エネルギーをベンチマークすること。
• スルホキシド、オキシル、ヒドロキシル中間体を含む、提案されたLPMO反応機構におけるDFTの不正確性の影響を評価すること。

提案手法

• 先行研究のQM/MM最適化構造を、[CuO2]+、[CuO]+、[CuOH]2+中間体の出発構造として用いた。
• 完全活性空間（CASSCF）基準波動関数を用いた2次多配置摂動理論（CASPT2）を、高精度ベンチマークとして適用した。
• CASPT2結果と複数のDFT関数（TPSS、TPSSh、B3LYP、M06-L）を比較し、すべての関数でdef2-TZVPP基底関数を用いた。
• CASSCFおよびDFTを用いたスピン状態解析を実施し、開殻スレーター行列式を用いた非対称スピンDFTも含めた。
• ミュリケンスピン密度および3d軌道占有数を計算し、電子構造および金属酸化状態を評価した。
• 基底関数の感度を評価するためにANOおよびDunning型基底関数を比較したが、差異は最小限であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 [CuO2]+、[CuO]+、[CuOH]2+コアを有するLPMO中間体のスレーター行列式-三重項分裂エネルギーを予測するDFTの正確性はいかほどか？
• RQ2 TPSS、B3LYP、M06-Lなどの異なるDFT関数は、CASPT2と比較してスピン状態分裂をどの程度系統的に過小または過大に予測するか？
• RQ3 これらの中間体の多配置性が、LPMOにおけるDFTベースの反応機構の信頼性を損なうか？
• RQ4 物理的に整合性のあるスピン密度分布を示すにもかかわらず、なぜDFT計算は[CuOH]2+のスレーター行列式状態を定性的に誤った記述を生じるのか？
• RQ5 CASPT2における基底関数の選択と電子相関効果は、スピン状態エネルギー予測の正確性にどのように影響するか？

主な発見

• DFT関数はスピン状態分裂予測に顕著な誤差を示し、18〜62 kJ/molの範囲に及び、TPSSが平均絶対誤差が最小（26 kJ/mol）であった。
• [CuO2]+では、すべてのDFT関数が三重項状態の安定性を過大評価しており、誤差は18〜33 kJ/molであったが、CASPT2はスレーター行列式がより安定であると予測した。
• [CuO]+では、DFTは三重項状態の安定性を19〜33 kJ/mol過大に評価したが、TPSSおよびTPSShはCASPT2と良好な一致を示した。
• [CuOH]2+では、DFTはスレーター行列式-三重項分裂を31〜61 kJ/mol過小に評価しており、電子構造の記述に顕著な失敗を示している。
• DFTの非対称スピンアプローチは、特に[CuO2]+および[CuO]+の開殻スレーター行列式において物理的に不自然なスピン密度を生じさせ、これらの計算における主要なアーチファクトを示している。
• すべての3つの中間体、特に[CuOH]2+において多配置性が顕著であることが、DFTの大きな誤差を説明しており、今後のLPMO反応機構研究にはより高精度な手法の導入が求められる。