[논문 리뷰] Is density functional theory accurate for lytic polysaccharide monooxygenase enzymes?

Ernst D. Larsson, Geng Dong외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 21.

Metal-Catalyzed Oxygenation Mechanisms참고 문헌 76인용 수 30

한 줄 요약

이 연구는 리틱 폴리사카라이드 모노옥시게나스(LPMO) 효소의 핵심 Cu-O 중간체인 [CuO2]+, [CuO]+ 및 [CuOH]2+의 스핀 상태 간격 예측에 있어 밀도함수이론(DFT)의 정확도를 평가한다. 고차원 다중구성 상태 펌터베이션 이론(CASPT2)을 기준으로 하여 저자들은 DFT가 다중구성 상태 성질을 지닌 시스템, 특히 [CuOH]2+에서 스핀 상태 간격을 체계적으로 과소 또는 과대평가함을 발견하였으며, 이는 기계적 LPMO 연구의 신뢰성에 우려를 제기한다.

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).

연구 동기 및 목표

• 핵심 LPMO 중간체의 스핀 상태 에너지 간격을 예측하는 데 있어 DFT의 신뢰성을 평가하기 위해.
• LPMO 내 다중구성 상태 구조를 가진 구리-산소 종에서 DFT 함수들이 체계적으로 오차를 범하는 정도를 규명하기 위해.
• 고정밀도 CASPT2 계산 결과를 기준으로 DFT 결과를 비교하여 정확한 스핀 상태 에너지 예측의 기준을 확립하기 위해.
• 초산염, 옥실, 하이드록실 중간체를 포함한 제안된 LPMO 반응 메커니즘에 있어 DFT의 정확도 부족이 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 이전 연구에서 얻은 QM/MM 최적화 기하구조를 [CuO2]+, [CuO]+ 및 [CuOH]2+ 중간체의 기초 구조로 사용하였다.
• 완전 활성 공간(CASSCF) 기반 웨이브함수를 사용한 두 번째 순서 다중구성 상태 펌터베이션 이론(CASPT2)을 고정밀도 기준으로 적용하였다.
• CASPT2 결과와 다수의 DFT 함수를 비교하였다: TPSS, TPSSh, B3LYP, M06-L 모두 def2-TZVPP basis set을 사용하였다.
• CASSCF 및 DFT를 이용한 스핀 상태 분석을 수행하였으며, 개방형 스핀 상태 단일 상태의 불연속 대칭 DFT도 포함하였다.
• Mulliken 스핀 밀도 및 3d 오비탈 점유수를 계산하여 전자 구조와 금속 산화 상태를 평가하였다.
• 기저함수 민감도를 평가하기 위해 ANO 및 Dunning 유형 기저함수를 비교하였으며, 최소한의 차이를 관찰하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 [CuO2]+, [CuO]+ 및 [CuOH]2+ 핵을 가진 LPMO 중간체의 스инг렛-트리플렛 간격 에너지를 예측하는 데 있어 DFT의 정확도는 어떠한가?
• RQ2 TPSS, B3LYP, M06-L 등 다양한 DFT 함수들이 CASPT2 기준으로 스핀 상태 간격을 체계적으로 과소 또는 과대평가하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 이 중간체들이 다중구성 상태 성질을 지닌다는 점이 LPMO 내 DFT 기반 반응 메커니즘의 신뢰성에 영향을 미치는가?
• RQ4 물리적으로 일관된 스핀 밀도 분포를 보일지라도, DFT 계산이 왜 [CuOH]2+의 스инг렛 상태를 정량적으로 잘못 기술하는가?
• RQ5 CASPT2에서의 기저함수 선택과 상관 효과가 스핀 상태 에너지 예측 정확도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모든 DFT 함수는 스핀 상태 간격 예측에 있어 심각한 오차를 보이며, 오차 범위는 18~62 kJ/mol이며, TPSS는 평균 절대 오차가 가장 낮아 26 kJ/mol를 기록하였다.
• [CuO2]+의 경우, 모든 DFT 함수가 삼중 상태의 안정성을 과대평가하며, 오차는 18~33 kJ/mol이었다. 반면 CASPT2는 스инг렛 상태가 더 안정하다고 예측하였다.
• [CuO]+의 경우, DFT는 삼중 상태 안정성을 19~33 kJ/mol 과대평가하였지만, TPSS와 TPSSh는 CASPT2와 보다 양호한 일치를 보였다.
• [CuOH]2+의 경우, DFT는 스инг렛-삼중 상태 간격을 31~61 kJ/mol 과소평가하여 전자 구조 기술에 심각한 실패를 보였다.
• DFT의 불연속 대칭 접근법은 개방형 스инг렛 상태에서 물리적으로 비현실적인 스핀 밀도를 유도하였으며, 특히 [CuO2]+ 및 [CuO]+에서 뚜렷한 오류로 나타났다.
• 모든 세 중간체, 특히 [CuOH]2+에서 다중구성 상태 성질이 뚜렷하여 DFT 오차가 크며, 향후 LPMO 반응 메커니즘 연구에는 더 정밀한 방법이 필요하다고 결론 내렸다.