Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 2024 году разработан формализм аналитического расчета градиентов в методе XMCQDPT2. Формализм основан на использовании метода множителей Лагранжа. Реализован метод расчета матричных элементов неадиабатического взаимодействия в рамках нулевого порядка теории возмущений XMCQDPT2 на собственных векторах эффективного гамильтониана второго порядка. Реализован алгоритм приближенного расчета векторов неадиабатической связи через перекрывание волновых функций в соседних точках вдоль траектории с использованием метода CASSCF и нулевого порядка теории возмущений XMCQDPT2. Совместно с китайской группой разработан программный интерфейс, объединяющий квантовохимический пакет Firefly (Россия) и пакет неадиабатической молекулярной динамики JADE (Китай) в единый программный комплекс для моделирования сверхбыстрой неадиабатической динамики с использованием методов квантовой химии высокого уровня точности. Разработанный комплекс позволяет моделировать неадиабатические процессы с помощью метода смешанной квантово-классической динамики. Для эффективного использования вычислительных ресурсов высокопроизводительных систем при расчете градиентов в рамках метода XMCQDPT2 реализована возможность одновременного параллельного запуска n независимых молекулярно-динамических траекторий с использованием m MPI-процессов в каждой. В таком варианте используется как распараллеливание по независимым траекториям, так и высокая вычислительная эффективность пакета Firefly. Разработанный комплекс использован для изучения неадиабатических процессов электронной релаксации возбужденного катиона метилениммония, представляющего собой простейшую модель протонированного основания Шиффа ретиналя. Проведен анализ различных методов машинного обучения, применяемых для аппроксимации поверхностей потенциальной энергии. Для дальнейшего использования в проекте выбран нейросетевой потенциал взаимодействия на основе архитектуры MACE (Multi Atomic Cluster Expansion). Модели обучались на обширной выборке конформаций, полученных в ходе проведения неадиабатической динамики катиона метилениммония. Достигнутые значения метрик качества на отложенной тестовой выборке (единицы мэВ для энергии и десятки мэВ/Å для проекций градиента) подтверждают возможность использования полученных моделей для проведения неадиабатической динамики без привлечения референсного квантовохимического метода. Выработана общая стратегия по проведению численных экспериментов с помощью неадиабатической динамики и нейросетевых потенциалов на уровне XMCQDPT2. Предложенная стратегия заключается в генерации данных для обучения непосредственно из расчетов неадиабатической динамики с потенциалом CASSCF. Далее применяется концепция обучения с переносом; модели, предварительно обученные на обширных конформационных выборках метода CASSCF, дообучаются с использованием на порядок меньшего объема данных, получаемых на уровне XMCQDPT2. Полученные первые результаты свидетельствуют о перспективности предложенного подхода для создания нейросетевых потенциалов взаимодействия с высокой точностью предсказания энергий и градиентов. С использованием созданного в проекте программного комплекса JADE-Firefly изучена неадиабатическая динамика релаксации катиона метилениммония после фотовозбуждения при разных начальных условиях, в том числе при селективном возбуждении колебательных мод. Впервые показано, что в неадиабатических процессах релаксации электронно-возбужденного катиона присутствует прямой канал распада с образованием молекулы водорода и катиона протонированной синильной кислоты HCNH+. Новый фотохимический безбарьерный путь распада этого катиона важен для описания химических процессов, происходящих в атмосфере Титана. Построены сечения поверхности потенциальной энергии (ППЭ) первого электронно-возбужденного состояния полностью транс протонированного основания Шиффа ретиналя (RPSB) для реакции фотоизомеризации по различным двойным связям. Проведена оценка применимости метода CASSCF и важности учёта динамической корреляции при описании реакции фотоизомеризации. Сравнение результатов, полученных методами CASSCF и XMCQDPT2, демонстрирует возможность применения метода CASSCF для качественного описания профиля ППЭ вдоль координаты изомеризации. Однако метод CASSCF, не учитывающий динамическую электронную корреляцию, не пригоден для количественных оценок барьеров фотоизомеризации. Времена жизни возбуждённого состояния при комнатной температуре отличаются в 2 раза, а при понижении температуры до 100К времена отличаются на порядок. Также получены наборы неэмпирических квантовохимических данных для моделирования неадиабатической динамики RPSB и его аналогов с помощью нейросетевых потенциалов. Проведен детальный сравнительный анализ фотоиндуцированной динамики полностью транс- и цис-изомеров RPSB как в прямых, так и обратных первичных фотохимических реакциях, протекающих в микробном родопсине KR2, бактериородопсине и зрительном родопсине. При помощи комбинированных методов квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ) показано, что белковое окружение влияет на селективность фотоотклика хромофорной группы не только за счет изменения ее конформации, но и с помощью возбуждения определенных колебательных мод. Одновременное возбуждение реакционных мод создает условия для согласования их фаз при прохождении многомерного конического пересечения, что способствует достижению высокой скорости реакции и значительного квантового выхода. Впервые показано, что обратные реакции фотоизомеризации первичных фотопродуктов являются селективными только в случае микробных родопсинов, в зрительном родопсине фотоотклик полностью транс хромофора становится неизбирательным. По результатам проекта в 2024 году опубликованы и приняты к печати 2 статьи, одна из которых в журнале первого квартиля. Китайский коллектив принимал активное участие в реализации и обсуждении результатов проекта, в том числе в ходе визита в Москву в июле 2024 года. Результаты проекта были представлены руководителем российского коллектива в виде приглашенного доклада на международном семинаре «Quantum nonadiabatic dynamics workshop» (Великобритания). В рамках конференции Challenges 2024 (Россия) руководителем российского коллектива организован и проведен круглый стол «Photoinduced Nonadiabatic Molecular Dynamics» совместно с представителями китайского коллектива по тематике проекта.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
На втором этапе проекта достигнут значительный прогресс в создании передовых вычислительных методов и их применении для исследования механизмов сверхбыстрых фотохимических процессов в биологически значимых системах. Этап посвящен разработке и реализации методов моделирования фотоиндуцированной неадиабатической динамики биологических хромофоров с использованием методов машинного обучения для построения нейросетевых потенциалов основного и возбужденных электронных состояний, в том числе с помощью различных стратегий обучения на ограниченном наборе квантовохимических данных высокого уровня точности (XMCQDPT2). Разработаны методы оценки достоверности получаемых результатов с помощью моделирования в ансамбле из нескольких моделей для оценки дисперсий предсказываемых величин в каждой точке вдоль всех траекторий. Разработан и реализован метод анализа траекторий и их отнесения к различным конкурирующим каналам электронной релаксации. Для описания временной зависимости заселенностей электронно-возбужденных состояний предложена кинетическая модель осциллирующего волнового пакета с вероятностной степенной зависимостью распада. Данная модель позволяет напрямую связать вероятность неадиабатического перехода с эффективной константой скорости. Проанализированы условия перехода к обычной экспоненциальной кинетике. Разработанный комплекс моделирования и анализа неадиабатической динамики позволяет исследовать механизмы фотоиндуцированных процессов в биологических хромофорах и определять времена релаксации и квантовые выходы различных каналов в механизмах внутренней конверсии. Также в отчетный период был реализован комбинированный метод квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ) с использованием метода XMCQDPT2 в варианте электронного внедрения в рамках пакета Firefly для проведения динамических расчетов непосредственно в белковом окружении. Разработанные методы успешно применены для исследования фотохимии простейшего протонированного основания Шиффа и модельного хромофора ретиналя - катиона метаниминия (CH2NH2+). Впервые обнаружена и детально изучена новая фотохимическая реакция фотодиссоциации катиона метаниминия с отщеплением молекулы водорода и образованием иона HCNH+, что имеет прямое значение для понимания химии атмосферы Титана. Для моделирования масштабной неадиабатической динамики этой системы были созданы высокоточные нейросетевые потенциалы на основе архитектуры MACE, обученные на данных методов CASSCF(12,12) и XMCQDPT2. Эти потенциалы позволили с рекордной эффективностью воспроизвести полную картину конкурирующих фотохимических путей, включая изомеризацию и несколько каналов распада. Разработанная новая кинетическая модель позволила количественно описать сложную кинетику релаксации катиона метаниминия после возбуждения в состояние S2 и определить параметры для каждого этапа, включая сверхбыстрый (14 фс) переход из S2 в S1 и разветвление из S1 по двум конкурирующим каналам с временами жизни 25 фс и 200 фс. Модель дала прямое кинетическое обоснование существования ранее обнаруженного альтернативного диссоциативного пути через новое коническое пересечение, показав, что адекватное описание возможно только при учёте этого медленного канала, что подтверждает его фотохимическую значимость. Изучены фундаментальные принципы защиты от фотодеструкции в сложных биологических хромофорах. Исследование фотоиндуцированной динамики мета-изомера анионного хромофора зелёного флуоресцентного белка, объединившее высокоточные ab initio расчёты (XMCQDPT2 и CASSCF) с анализом данных сверхбыстрой спектроскопии, позволило установить ключевой молекулярный механизм фотозащиты. Установлено, что сверхбыстрый (∼100 фс) процесс внутренней конверсии в низколежащее тёмное состояние с переносом заряда, за которым следует исключительно долгое время жизни этого состояния (∼100 пс), функционирует как эффективная энергетическая ловушка. Этот каскадный механизм обеспечивает исключительную фотостабильность хромофора при его возбуждении в УФ диапазоне выше его пороговой энергии ионизации за счёт направленного и безопасного рассеяния избыточной электронной энергии, предотвращая деструктивные фотопроцессы, такие как отрыв электрона. Полученные результаты, опубликованные в серии статей в международных журналах, включая высокорейтинговый журнал J. Phys. Chem. Lett. (работа удостоена размещения на обложке), закладывают фундамент для следующего этапа проекта - прямого неэмпирического моделирования фотоиндуцированной динамики хромофоров в их естественном белковом окружении для прямой верификации с помощью методов времяразрешенной спектроскопии.