کاربرد روش های مکانیک کوانتومی نیمه تجربی در تخمین برهمکنش های مولکول های زیستی

باوجود پیشرفتهای چشمگیر در ابزار آزمایشگاهی و روش های محاسباتی برای اندازه گیری برهمکنش های کوچک مولکول ها با پروتئین ها و درشت مولکول های زیستی،  تخمین انرژی آزاد اتصال کمپلکس ها و آرایش هندسی آنها، همچنان جزء مسئله های پرچالش باقی مانده است. به طور کلی برهمکنش های غیرکووالانسی نقش کلیدی در زیست شیمی دارند. توصیف نظری و محاسباتی برهمکنش های غیرکووالانسی به خاطر اثرهای کوانتومی دخیل در این برهمکنش ها کار آسانی نیست. توصیف درست این برهمکنش ها نیازمند درنظر گرفتن سهم های کوانتومی در انرژی های برهمکنش و به کارگیری یک مجموعه پایه اربیتال اتمی گسترده است. در دهه های 1970 و 1980 روش های مکانیک کوانتومی  نیمه تجربی، یکی از روش مناسب و کارآمد در مطالعه خواص حالت پایه ترکیبات شیمیایی بوده است. از دهه 1990 میلادی به بعد، این روش ها به طور گستردهای توسعه یافته و با تعریف توابع و پارامترهای جدید، دقت و صحتشان در مقایسه با روش های دقیقتر از آغاز و نظریه تابعیت چگالی  که حداقل به اندازه سه مرتبه بزرگی هزینه برتر هستند، بهبود یافته است. امروزه استفاده از ‏روش های سریع و کارآمد مکانیک کوانتومی نیمه تجربی برای محاسبه خواص الکترونی مولکول های بزرگ و سامانه های زیستی، بسیار متداول و ضرورتی انکار ناپذیر شده است. در سال های اخیر، رنسانسی در روش های مکانیک کوانتومی نیمه تجربی اتفاق افتاده است و آن را متحول کرده است.  این مقاله مروری به سیر تکاملی روش های مکانیک کوانتومی نیمه تجربی، برخی از کاربردها و موفقیت های این روش در به کارگیری در سامانه های گوناگون، به ویژه در برهمکنش مولکول های زیستی و همچین ارزیابی جایگاه این روش در بین انواع دیگر روش های محاسباتی مانند مکانیک مولکولی، نظریه تابع موج و رهیافت های نظریه تابعیت چگالی می پردازد.

application of semi-empirical quantum mechanical methods in estimation of biomolecular interactions

despite considerable progress in computational methods for calculating interactions between small molecules and proteins, estimation of the geometry of protein-ligand complexes and their binding free energies remains as a challenging task in the structure-based drug design. for an accurate description of these interactions requires the inclusion of quantum mechanical contributions using an extended atomic orbital basis set. for this purpose, some semi-empirical quantum mechanical methods have been developed that are much less expensive than more accurate “ab initio” and “density functional theory” methods.currently, the application of fast and efficient semi-empirical quantum mechanical methods for calculating electronic properties of large molecules and biological systems becomes a routine task. in this contribution, the development of these methods and their successful applications in different fields – especially in biomolecular interactions – are reviewed.