Недавно мы с коллегами опубликовали препринт «Классическое решение модели FeMo-кофактора с химической точностью и его последствия» (Zhai et al. 2026).
Что такое FeMo-co?
FeMo-кофактор — это реакционный центр нитрогеназы, фермента, обнаруженного у некоторых почвенных бактерий. Нитрогеназа преобразует атмосферный ди азот, который удерживается прочной тройной связью N-N, в восстановленную форму (аммиак), которая затем может быть усвоена растениями и передана остальной живой биомассе.
Химия восстановления ди азота на FeMo-кофакторе до сих пор в значительной степени неизвестна. Роль кофактора и фермента в целом заключается в координации протонов, электронов, биологического источника энергии (АТФ) и молекулы ди азота в последовательность чётко определённых шагов, известных как механизм реакции.
Как нитрогеназа стала так широко обсуждаемой в контексте квантовых вычислений?
В 2016 году статья «Выяснение механизмов реакций на квантовых компьютерах» стала одной из самых цитируемых в области нитрогеназы. В статье было предложено, что «обещание экспоненциального ускорения для задачи электронной структуры» может быть применено для выяснения механизма реакции нитрогеназы, который до сих пор оказался неподвластным классическим вычислениям.
Моделирование FeMo-кофактора
Мы с коллегами сформулировали более подходящую модель FeMo-кофактора, которая содержит 76 орбиталей/152 кубита. Эта модель, которую мы назвали моделью LLDUC, содержит правильный характер открытой оболочки кофактора и имеет «представительную» сложность в своём основном состоянии.
Классическая симуляция модели LLDUC FeMo-кофактора
Используя последовательность классических расчётов, мы смогли получить классическую оценку энергии основного состояния модели LLDUC с химической точностью. Это было достигнуто с помощью классических методов расчёта электронной структуры, которые являются эвристическими алгоритмами.
Выводы
С химической и биохимической точки зрения вычисление энергии основного состояния модели с заданной точностью — даже с химической точностью — является весьма искусственной целью. Однако наша работа показывает, что в электронной структуре FeMo-кофактора нет ничего особенно загадочного.
Это открывает новые научные задачи, связанные с наблюдением реакций на чрезвычайно медленных временных масштабах.