Quantum Chemical Benchmark Study on 46 RNA Backbone Families Using a Dinucleotide Unit

水准点(测量) 波函数 基准集 叠加原理 力场(虚构) 能量最小化 化学 统计物理学 计算化学 密度泛函理论 物理 计算机科学 量子力学 大地测量学 地理
作者
Holger Kruse,Arnošt Mládek,Konstantinos Gkionis,Andreas Hansen,Stefan Grimme,Jiřı́ Šponer
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:11 (10): 4972-4991 被引量:110
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.5b00515
摘要

We have created a benchmark set of quantum chemical structure-energy data denoted as UpU46, which consists of 46 uracil dinucleotides (UpU), representing all known 46 RNA backbone conformational families. Penalty-function-based restrained optimizations with COSMO TPSS-D3/def2-TZVP ensure a balance between keeping the target conformation and geometry relaxation. The backbone geometries are close to the clustering-means of their respective RNA bioinformatics family classification. High-level wave function methods (DLPNO-CCSD(T) as reference) and a wide-range of dispersion-corrected or inclusive DFT methods (DFT-D3, VV10, LC-BOP-LRD, M06-2X, M11, and more) are used to evaluate the conformational energies. The results are compared to the Amber RNA bsc0χOL3 force field. Most dispersion-corrected DFT methods surpass the Amber force field significantly in accuracy and yield mean absolute deviations (MADs) for relative conformational energies of ∼0.4-0.6 kcal/mol. Double-hybrid density functionals represent the most accurate class of density functionals. Low-cost quantum chemical methods such as PM6-D3H+, HF-3c, DFTB3-D3, as well as small basis set calculations corrected for basis set superposition errors (BSSEs) by the gCP procedure are also tested. Unfortunately, the presently available low-cost methods are struggling to describe the UpU conformational energies with satisfactory accuracy. The UpU46 benchmark is an ideal test for benchmarking and development of fast methods to describe nucleic acids, including force fields.
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