[论文解读] 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 30

一句话总结

本研究评估了密度泛函理论（DFT）在预测裂解多糖单加氧酶（LPMO）酶中关键铜-氧中间体——[CuO2]+、[CuO]+ 和 [CuOH]2+——自旋态能级分裂方面的准确性。以多组态微扰理论（CASPT2）为参考，作者发现DFT系统性地低估或高估自旋态能级分裂，尤其在 [CuOH]2+ 中更为明显，这是由于其具有多组态特征，因而对机制性LPMO研究的可靠性提出质疑。

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).

研究动机与目标

• 评估DFT在预测关键LPMO中间体自旋态能级分裂方面的可靠性。
• 识别在LPMO中多组态铜-氧物种应用DFT泛函时存在的系统性误差。
• 将DFT结果与高精度CASPT2计算结果进行对比，作为准确自旋态热力学的基准。
• 评估DFT不准确性对涉及超氧、氧基和羟基中间体的LPMO反应机理的潜在影响。

提出的方法

• 采用先前研究中通过QM/MM优化的几何构型作为 [CuO2]+、[CuO]+ 和 [CuOH]2+ 中间体的初始结构。
• 应用二阶多组态微扰理论（CASPT2），以完全活性空间（CASSCF）波函数为参考，作为高精度基准。
• 将CASPT2结果与多种DFT泛函（TPSS、TPSSh、B3LYP 和 M06-L）进行比较，所有计算均使用 def2-TZVPP 基组。
• 通过CASSCF和DFT（包括开壳单重态的破对称DFT）进行自旋态分析。
• 计算Mulliken自旋布居和3d轨道占据数，以评估电子结构和金属氧化态。
• 通过比较ANO和Dunning型基组评估基组敏感性，发现差异极小。

实验结果

研究问题

• RQ1 DFT在预测具有 [CuO2]+、[CuO]+ 和 [CuOH]2+ 核心的LPMO中间体的单重态-三重态分裂能级方面有多准确？
• RQ2 与CASPT2相比，不同DFT泛函（如TPSS、B3LYP、M06-L）在系统性地高估或低估自旋态分裂能级方面程度如何？
• RQ3 这些中间体的多组态特性是否损害了基于DFT的LPMO反应机理研究的可靠性？
• RQ4 为何DFT计算对 [CuOH]2+ 中单重态的描述在定性上错误，尽管自旋布居分布保持物理一致性？
• RQ5 CASPT2中的基组选择和相关效应如何影响自旋态能级预测的准确性？

主要发现

• DFT泛函在自旋态分裂预测中表现出显著误差，范围为18至62 kJ/mol，其中TPSS的平均绝对误差最低（26 kJ/mol）。
• 对于 [CuO2]+，所有DFT泛函均高估了三重态的稳定性，误差为18–33 kJ/mol，而CASPT2预测单重态更稳定。
• 对于 [CuO]+，DFT高估了三重态稳定性19–33 kJ/mol，尽管TPSS和TPSSh与CASPT2结果更吻合。
• 对于 [CuOH]2+，DFT显著低估了单重态-三重态分裂能级31–61 kJ/mol，表明其在描述电子结构方面存在重大失败。
• DFT的破对称方法在开壳单重态中产生非物理的自旋布居，尤其在 [CuO2]+ 和 [CuO]+ 中表现明显，凸显了此类计算中的关键人为误差。
• 所有三种中间体（尤其是 [CuOH]2+）均表现出显著的多组态特征，解释了DFT的较大误差，提示未来LPMO机理研究需采用更精确的方法。