Semiclassical dynamics of electron attachment to guanine-cytosine base pair

グアニン-シトシン塩基対への電子付着に関する半古典動力学

本田 知大*; 箕島 裕介*; 横井 悠輝*; 高柳 敏幸*; 志賀 基之   

Honda, Tomohiro*; Minoshima, Yusuke*; Yokoi, Yuki*; Takayanagi, Toshiyuki*; Shiga, Motoyuki

密度汎関数理論および分子動力学法により、グアニン-シトシン(G-C)塩基対への電子付着の動力学的ふるまいについて研究を行った。G-Cの負イオンのポテンシャルエネルギーは、長距離補正密度汎関数計算の情報をもとに経験的原子価結合法でモデル化した。半古典的リングポリマー分子動力学法の結果、初期において双極子束縛状態にある負イオンは、0.1ピコ秒程度で原子価束縛状態へと容易に移行した後、10ピコ秒程度でプロトン移動が起こることがわかった。一方、古典分子動力学法の結果でも同じ傾向が見られたが、反応にかかる時間はずっと遅かった。このことから、低エネルギー電子によるDNA損傷過程のダイナミクスにおいて、原子核の量子効果が重要な役割を果たしていると考えられる。

Electron attachment dynamics to the guanine-cytosine (G-C) base pair in the gas phase isstudied using DFT and molecular dynamics. The potential energy surface of the G-C anion isconstructed with the empirical-valence-bond method using force-field information obtained from long-range corrected DFT calculations. Ring-polymer molecular dynamics simulations predict that theinitial dipole-bound anion readily converts into the valence-bound anion within 0.1 ps and proton-transfer occurs subsequently within 10 ps. The same process was found in classical simulations, buton a much slower time scale. This result suggests that nuclear quantum effects are important inunderstanding DNA damage by low-energy electrons.