含镍金属酶催化反应机理的理论研究

镍金属酶催化的反应涉及CO、CO2、H2、O2、NH3和甲烷等多种气体的生成或消耗。含镍酶催化机理的研究，不但能促进生物酶基础理论的提炼与理解；也有望为高效生物合成、生物电子技术应用、新型抗衰老药物设计、新型燃料电池及可充电电池研发等技术革新提供重要启示与潜在原型；是当前国际分子生物学研究的热点前沿课题。.本项目利用量子化学密度泛函方法，开展镍金属酶分子结构尤其是活性中心结构的优化设计和催化反应的模拟，弄清催化机理及催化过程关键影响因素，为酶的性能调控和功能改造提供依据，也为成果延伸开发提供理论支持。具体内容有：(1)发展适合过渡金属酶计算的密度泛函方法；(2)完善描述大分子范德华作用的理论模拟手段；(3)镍金属酶功能团簇的结构与电子性质的计算研究；(4)模拟一系列镍金属酶的催化反应过程，揭示催化机理；(5)关键残基突变模拟及酶催化性能调控与功能改造。

镍金属酶催化的反应涉及CO、CO2、H2、O2、NH3和甲烷等多种气体的生成或消耗。含镍酶催化机理的研究，不但能促进生物酶基础理论的提炼与理解；也有望为高效生物合成、新型药物设计、新型燃料电池研发等技术革新提供重要启示。在本项目中，我们利用量子化学密度泛函方法，开展镍金属酶活性中心几何与电子结构的研究，模拟催化反应过程，发现其催化反应机理。部分结果概括如下：(1) 发现在含开壳层钴的体系中，含15% Hartree-Fock交换泛函水平的B3LYP泛函(B3LYP-15%)可获得比标准B3LYP泛函(B3LYP-20%)更准确的计算结果；而针对闭壳层Co和开壳层Ni, B3LYP-15%与B3LYP-20%的计算精度相近。(2) 发现当生物酶活性中心模型足够准确时，两种将范德华作用校正引入反应机理计算的策略（即：只将范德华校正引入能量计算，和同时引入结构优化与能量计算）可得到一致的结果；当模型不够准确时，两种策略的结果不一致；因此两种策略的结果是否一致可作为检验生物酶模型是否合理的新标准。(3) 发现了一系列金属酶的催化反应机理。比如，对甲基辅酶M还原酶(MCR)多种可能的竞争机理进行了系统地计算鉴定，排除了3种机理假设，并提出目前最可接受的机理：经历甲基自由基和Ni(II)-S中间体的机理。(4) 通过关键残基突变模拟，发现了一部分生物酶催化反应过程中的关键残基的影响方式和作用原理，从而获得酶催化性能调控与功能改造的理论线索。在本项目的资助下，共发表SCI收录论文11篇。