[논문 리뷰] Quantum states entanglement in hemoglobin molecule active center

Dmitry Y. Novoselov, Dmitry M. Korotin외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 09.

Hemoglobin structure and function참고 문헌 21인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 DFT+DMFT를 사용하여 헤모글로빈의 활성 부위에 있는 철 이온의 전자 및 스핀 상태를 조사하였으며, 산소 결합 이전(FeP(Im))과 이후(FeP(Im)(O₂))의 두 형태 모두 순수한 고스핀 또는 저스핀 상태가 아니라, 다수의 d-오비탈 구성과 스핀 상태의 얽힌 양자 상태—즉, 중첩 상태—를 나타냄을 밝혀냈다. 산화 과정에서 얽힘은 증가하고 효과적 스핀 모멘트는 약 2.1에서 약 1.7로 감소하여, 단순한 스핀 상태 변화를 초월하는 복잡한 전이 과정임을 시사한다.

ABSTRACT

An ab initio study of the electronic and spin configuration for the iron ion in the active center of the human hemoglobin molecule is presented. It is well known that the iron ion, being surrounded by the porphyrin ring and the ligands, plays the key role in the realization of the basic oxygen-transport functions of the molecule. This work is focused on the investigation the features of the 3$d$-shell electronic states of the iron ion located inside the active center of the hemoglobin molecule. Also in this paper we study in detail the changes in these states occurring during the oxidation process. We use a combination of the Density Functional Theory (DFT) method and the Dynamical Mean Field Theory (DMFT) approach. This method allows to consider dynamic correlation effects that are important in the description of systems containing transition metal ions. It was found that the state of the valence electrons of the iron ion of the active center of hemoglobin molecule is the entangled quantum state. This state is a mixture of several electronic states with comparable statistical probability. Furthermore, it was found that the process of the bond formation between the iron-porphyrin complex and the oxygen molecule is more complex than a simple high-spin to low-spin state of the Fe ion transition. The transition metal ion oxidation is accompanied by substantial redistribution of the states probabilities and the increasing of the entanglement degree. This process also leads to the reduction of the total spin moment from $s\approx$2.1 for the FeP(Im) to $s\approx$1.7 for the FeP(Im)(O$_2$).

연구 동기 및 목표

• 간단한 고스핀/저스핀 모델을 넘어서 헤모글로빈 활성 부위의 철 이온 전자 및 스핀 구성의 진정한 성격을 조사하기 위해.
• 산소 결합 중 철 이온이 전자 상태에서 양자 얽힘을 나타내는지 여부를 규명하기 위해.
• 산화 과정이 철 이온의 d-오비탈 전자 구성 및 스핀 상태 분포에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 전자 상호작용과 궤도 혼성화가 산소 결합 중 철 이온의 양자 상태 형성에 미치는 역할을 평가하기 위해.
• 고급 다체 방법을 활용하여 헤모글로빈의 스핀 전이 메커니즘에 대해 더 정확한 아비니시 기반 기술을 제공하기 위해.

제안 방법

• 헤모글로빈 활성 부위의 철 이온 d-오비탈에서 강한 전자 상호작용 효과를 고려하기 위해 DFT+DMFT 접근법을 적용하였다.
• 통계적 표본 추출 및 스펙트럼 함수 계산을 위해 연속 시간 양자 몽테카를로(CT-QMC) 임플리시티 솔버를 사용하였다.
• 실험적 결정 구조를 바탕으로 46개 원자(FeP(Im)) 및 48개 원자(FeP(Im)(O₂))로 구성된 최소 모델을 수립하였다.
• 우르소프 허위파손(ultrasoft pseudopotentials)과 PBE-GGA 함수를 사용한 Quantum-ESPRESSO 패키지를 활용해 구조 최적화를 수행하였다.
• Fe d-오비탈과 O p-오비탈 간의 혼성화를 분석하기 위해 국소 밀도 상태(PDOS)를 계산하였다.
• 다양한 스핀 및 산화 상태 구성의 통계적 가중치를 계산하여 얽힘과 효과적 스핀 모멘트를 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 헤모글로빈 활성 부위의 철 이온은 순수한 고스핀 또는 저스핀 상태로 기술될 수 있는가, 아니면 다수의 구성 상태의 양자 중첩 상태인가?
• RQ2 산소 결합 과정에서 철 이온의 산화가 전자 상태 분포 및 스핀 구성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 기여하는 구성의 수와 확률을 기준으로 측정했을 때, 철 이온의 전자 상태는 어느 정도까지 얽혀 있는가?
• RQ4 산소 결합 중 Fe d-오비탈과 O p-오비탈 간의 혼성화가 전자 구조 및 얽힘 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 FeP(Im)에서 FeP(Im)(O₂)로의 전이 과정에서 효과적 스핀 모멘트는 어떻게 변화하며, 이는 스핀 전이의 본질에 대해 어떤 시사점을 제공하는가?

주요 결과

• FeP(Im) 및 FeP(Im)(O₂) 모두 철 이온은 순수한 단일 상태가 아니라, 다수의 d-오비탈 구성과 스핀 상태의 양자 얽힌 상태—즉, 중첩 상태—로 존재한다.
• 어느 하나의 스핀 구성에 대한 최대 확률도 48%를 초과하지 않아, 산화 및 탈산소화 상태 모두에서 다수 상태의 혼성도가 뚜렷하게 나타난다.
• 효과적 스핀 모멘트는 FeP(Im)에서 약 2.1에서 FeP(Im)(O₂)로의 전이에서 약 1.7로 감소하여, 산소 결합에 따른 순자기 모멘트 감소를 반영한다.
• 확률이 5% 이상인 주요 구성의 수는 FeP(Im)에서 3개에서 FeP(Im)(O₂)로 6개로 증가하여 산화 과정에서 양자 얽힘이 강화됨을 시사한다.
• 국소 밀도 상태 분석에서 Fe d-오비탈(특히 d_{zx}, d_{zy})과 O p-오비탈 간의 혼성화가 관찰되어 공유 결합이 상태 혼성에 기여함을 뒷받침한다.
• 스핀 전이는 단순한 고스핀에서 저스핀으로의 전이가 아니라, d⁵, d⁶, d⁴, d⁷ 구성이 주요 기여를 하는 복잡한 얽힌 중첩 상태의 조정 과정임을 시사한다.