KR101655381B1 - 블록 서열 비교를 통한 정량적인 분자 오비탈 유사성 비교방법 및 이를 이용한 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 a) 분자 오비탈 유사성을 비교할 2개의 대상 분자를 선택한 후 하기 i) 내지 iv) 단계의 방법에 의해 블록 스펙트럼을 얻는 단계: i) 양자역학 계산법을 이용하여 상기 대상 분자의 분자 오비탈 분포를 계산하는 단계, ii) 상기 대상 분자 구조 내의 분자 중심에서 방사방향(radial direction)으로 N 개의 블록, BL(1) 내지 BL(N)을 만드는 단계, iii) 상기 각각의 블록에 연관된 분자 오비탈 비율(BX(k))(k : 1 내지 N의 자연수)을 계산하는 단계, 및 iv) 상기 분자 오비탈 비율(BX(k))의 크기를 기준으로 상기 블록을 순차적으로 재배열하여 블록 스펙트럼을 얻는 단계; b) 상기 2개의 대상 분자의 블록 스펙트럼의 서열 비교를 통해 각 서열에서의 동일성을 평가하여 SC(ℓ)(ℓ는 서열번호로 1 내지 N의 자연수)를 계산하는 단계; 및 c) 상기 SC(ℓ)값을 이용해 2BS-score를 계산하는 단계를 포함하는 블록 스펙트럼 서열 비교를 통한 정량적인 분자 오비탈 유사성 비교방법에 관한 것이다.

Description

블록 서열 비교를 통한 정량적인 분자 오비탈 유사성 비교방법 및 이를 이용한 시스템{Method for quantitative measurement of molecular orbital similarity by the block sequences and system using the same}
본 발명은 블록 서열 비교를 통한 정량적인 분자 오비탈 유사성 비교방법 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다.
분자 내 전자의 거동을 나타내는 분자 오비탈(Molecular Orbital)은 물질의 전기화학적 특성에 큰 영향을 주는 중요한 물성이지만 이를 정확하게 평가할 수 있는 방법이 없기 때문에 다른 물성들에 비해 광범위하게 이용되지 못하고 있다. 전통적으로 분자 오비탈 특성을 평가하는 방법은 양자역학에 근간을 둔 계산 방법으로 계산된 분자 오비탈을 그림으로 생성시킨 후 이를 주관적인 시각적 판단에 의존해서 평가하는 정성적인 방법이다.
그러나, 정성적인 방법은 전체적인 경향을 파악하기 위해서는 매우 유용하지만 기준이 평가자에 따라 주관적으로 변할 수 있기 때문에 명확하고 체계적인 평가를 할 수 없는 한계를 나타낸다.
이러한 정성적인 평가 방법의 한계를 극복해 분자 오비탈을 체계적으로 정확하게 평가하기 위해 정량적으로 분자 오비탈 특성을 평가할 수 있는 평가 방법을 개발하기 위해 본 발명자는 여러 방법을 개발했다. 본 발명자는 정량적 방법을 기반으로 예전에는 알려지지 않았던 분자 오비탈의 새로운 특성을 평가할 수 있는 신규 평가 방법을 개발해서 분자 오비탈을 정량적으로 평가할 수 있는 방법의 적용 범위를 크게 확장시키고자 하였다.
예를 들어, 전체 분자 구조에서 분자 오비탈이 분포할 수 있는 패턴의 수는 거의 무한대인데, 이와 같이 복잡한 패턴을 가지고 분포하는 분자 오비탈을 직관적이고 정확하게 평가하기 위해 블록 개념을 도입해 이를 이용하는 새로운 방법인 AC2B(Assembly of Consecutive Building Block)법을 개발했다.
AC2B법은 (1) 분자의 전체 분자 구조의 각각의 세부 영역을 블록으로 만든 후 전체 분자 구조를 블록의 조합으로 생성한 후, (2) 각각의 블록에 연관된 분자 오비탈이 전체 오비탈의 합에 대해 차지하는 비율을 계산해 이를 바탕으로 순차적으로 블록을 재배열하여 얻은 재배열된 순차적 블록 스펙트럼을 얻음으로써 분자 오비탈 특성을 해석하는 방법을 의미한다. 재배열된 순차적 블록 스펙트럼에서는 가장 앞에 위치한 블록에 가장 많은 분자 오비탈이 분포하고 가장 마지막에 위치한 블록에 가장 적은 분자 오비탈이 분포한다. 새롭게 블록이란 개념을 도입한 AC2B법을 이용하여 복잡한 분자 오비탈의 패턴을 단순화시켜 분자 오비탈 특성을 직관적이고 명확하게 평가할 수 있다.
하지만 AC2B를 통해 계산되는 재배열된 블록 스펙트럼은 단일 분자 오비탈 특성을 직관적으로 나타내주지만 서로 다른 분자 오비탈 특성을 정량적으로 비교하는데 직접적으로 사용하기 어렵다. 이는 상기 블록 스펙트럼은 각 블록이 차지하는 위치에 따른 순차적인 블록의 배열이기 때문에 이를 정량적인 비교에 바로 이용할 수 없기 때문이다.
도 1은 서로 다른 블록 스펙트럼 비교의 예를 나타낸다. 블록 스펙트럼의 상위에 나타낸 숫자는 블록의 서열을 나타내는 것으로, 도 1에서 1은 1의 위치에 있는 블록에 가장 많은 분자 오비탈이 분포함을 나타낸 것이다. 도 1의 블록 스펙트럼 비교를 통한 분자 오비탈 특성 비교 과정은 다음과 같이 설명할 수 있다. (1) MO1에 대해서 MO2를 비교해 보면 2개의 블록 스펙트럼의 서열이 정확하게 일치한다. 이와 같은 경우는 쉽게 MO1과 MO2가 동일한 분자 오비탈 특성을 나타낸다고 평가할 수 있다. (2) MO1에 대해 MO3를 비교해보면 블록 스펙트럼의 서열 중에 1번째와 2번째 블록이 BL5-BL4와 BL4-BL5로 서로 차이가 난다는 것을 알 수 있다. 하지만 이와 같은 차이가 정량적으로 얼마만큼의 차이를 의미하는 것인지는 현재로서는 평가할 수 없다. (3) MO1에 대해 MO4를 비교해보면 블록 스펙트럼 서열 중 4번째와 5번째가 서로 BL2-BL1과 BL1-BL2로 서로 차이가 난다. 상기 MO1-MO3의 경우와 마찬가지로 정량적으로 이러한 차이를 평가할 수 없다. (4) MO3와 MO4의 경우는 블록 스펙트럼에서 발생하는 차이가 더 복잡하기 때문에 정성적으로 MO3와 MO4를 통해 분자 오비탈 유사성이 차이가 나는 것은 알 수 있지만 정량적인 차이는 평가할 수 없다. 이와 같이 블록을 이용한 분자 오비탈 특성 평가를 통해 분자 오비탈의 유사성을 정성적으로 평가할 수는 있지만 분자 오비탈의 특성 차이를 정량적으로 평가할 수는 없다. 따라서, 블록을 이용한 분자 오비탈 특성 평가가 물질 개발이나 물성 평가에 광범위하게 이용되기 위해서는 서로 다른 분자 오비탈의 특성 차이를 정량적으로 평가할 수 있는 방법의 추가적인 개발이 반드시 필요한 실정이다.
이와 같은 필요성에 의해서 본 발명자는 AC2B법을 통해 계산된 재배열된 블록스펙트럼을 이용하여 서로 다른 분자 오비탈의 유사도를 정량적으로 정확하게 비교할 수 있는 새로운 방법인 2BS-score(Building Block Similarity-score)법을 개발했다.
JP 2011-173821 A
Mireia Guell, Eduard Matito, Josep M. Luis, Jordi Poater, and Miquel Sola, Analysis of Electron Delocalization in Aromatic System: Individual Molecular Orbital Contributions to Para-Delocalization Indexes (PDI), J. Phys. Chem. A. 2006, 110, 11569-11574.
상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 AC2B법을 통해 계산된 재배열된 블록스펙트럼을 이용하여 서로 다른 분자 오비탈의 유사도를 정량적으로 정확하게 비교할 수 있는 새로운 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 a) 분자 오비탈 유사성을 비교할 2개의 대상 분자를 선택한 후 하기 i) 내지 iv) 단계의 방법에 의해 블록 스펙트럼을 얻는 단계: i) 양자역학 계산법을 이용하여 상기 대상 분자의 분자 오비탈 분포를 계산하는 단계, ii) 상기 대상 분자 구조 내의 분자 중심에서 방사방향(radial direction)으로 N 개의 블록, BL(1) 내지 BL(N)을 만드는 단계, iii) 상기 각각의 블록에 연관된 분자 오비탈 비율(BX(k))(k : 1 내지 N의 자연수)을 계산하는 단계, 및 iv) 상기 분자 오비탈 비율(BX(k))의 크기를 기준으로 상기 블록을 순차적으로 재배열하여 블록 스펙트럼을 얻는 단계; b) 상기 2개의 대상 분자의 블록 스펙트럼의 서열 비교를 통해 각 서열에서의 동일성을 평가하여 SC(ℓ)(ℓ는 서열번호로 1 내지 N의 자연수)를 계산하는 단계; 및 c) 상기 동일성 평가 계산으로 얻은 SC(ℓ)값을 이용해 2BS-score를 계산하는 단계를 포함하는 블록 서열 비교를 통한 정량적인 분자 오비탈 유사성 비교방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 AC2B(Assembly of Consecutive Building Block)법을 통해 계산된 재배열된 블록 스펙트럼을 이용해 서로 다른 분자 오비탈 유사도를 정량적으로 정확하게 비교할 수 있다.
본 발명에 따르면 분자 오비탈 유사성을 정량적으로 정확하게 평가할 수 있으며, 분자 오비탈 특성을 블록을 이용한 단순화 과정을 통해 평가하는 AC2B 법의 적용 범위를 크게 확장시켜 새로운 물질 개발이나 물성 평가에 중요한 도구로서 향후 유용하게 사용할 수 있게 한다.
도 1은 비교하려는 4개의 대상 분자의 분자 오비탈에 대해 각각 AC2B법을 적용하여 얻은 재배열된 블록 스펙트럼이다.
도 2는 1개의 대상 분자의 분자 오비탈에 대하여 AC2B법을 적용하여 얻은 재배열된 블록 스펙트럼이다.
도 3은 본 발명의 2BS-score계산과정을 나타낸 Flow chart 차트이다.
도 4는 서로 다른 분자 오비탈을 갖는 NPB(N,N'-Di[(1-naphthyl)-N,N'-diphenyl]-1,1'-(biphenyl)-4,4'-diamine)에 대해 서로 다른 전자 상태에서 양자역학 방법으로 계산된 분자 오비탈 A와 B에 대해 각각 AC2B법을 적용하여 얻은 재배열된 블록 스펙트럼이다.
도 5는 도 4의 블록 스펙트럼이 나타내는 분자 오비탈을 MATERIAL STUDIO 패키지의 VISUALIZER를 이용하여 나타낸 그림이고, 여기에 2BS-score계산 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 서로 다른 분자 오비탈을 갖는 NPB(N,N'-Di[(1-naphthyl)-N,N'-diphenyl]-1,1'-(biphenyl)-4,4'-diamine)에 대해 서로 다른 전자 상태에서 양자역학 방법으로 계산된 분자 오비탈 A, B, C에 대해 각각 AC2B법을 적용하여 계산한 블록 스펙트럼 A, B, C와, 상기 블록 스펙트럼 A와 B, 블록 스펙트럼 A와 C를 각각 비교한 경우에 대한 2BS-score계산 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 도 4의 블록 스펙트럼이 나타내는 분자 오비탈을 MATERIAL STUDIO 패키지의 VISUALIZER를 이용하여 나타낸 그림이고, 여기에 2BS-score계산 결과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 블록 서열 비교를 통한 정량적인 분자 오비탈 유사성 비교방법은 a) 분자 오비탈 유사성을 비교할 2개의 대상 분자를 선택한 후 하기 i) 내지 iv) 단계의 방법에 의해 블록 스펙트럼을 얻는 단계: i) 양자역학 계산법을 이용하여 상기 대상 분자의 분자 오비탈 분포를 계산하는 단계, ii) 상기 대상 분자 구조 내의 분자 중심에서 방사방향(radial direction)으로 N 개의 블록, BL(1) 내지 BL(N)을 만드는 단계, iii) 상기 각각의 블록에 연관된 분자 오비탈 비율(BX(k))(k : 1 내지 N의 자연수)을 계산하는 단계, 및 iv) 상기 분자 오비탈 비율(BX(k))의 크기를 기준으로 상기 블록을 순차적으로 재배열하여 블록 스펙트럼을 얻는 단계; b) 상기 2개의 대상 분자의 블록 스펙트럼의 서열 비교를 통해 각 서열에서의 동일성을 평가하여 SC(ℓ)(ℓ는 서열번호로 1 내지 N의 자연수)를 계산하는 단계; 및 c) 상기 동일성 평가 계산으로 얻은 SC(ℓ)값을 이용해 2BS-score를 계산하는 단계를 포함하는 블록 서열 비교를 통한 정량적인 분자 오비탈 유사성 비교방법을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명자는 상기 블록 서열 비교를 통한 정량적인 분자 오비탈 유사성 비교방법을 "2BS-score법"이라고 명명하였다.
본 발명은 a) 분자 오비탈 유사성을 비교할 2개의 대상 분자를 선택한 후 하기 i) 내지 iv) 단계의 방법에 의해 블록 스펙트럼을 얻는 단계: i) 양자역학 계산법을 이용하여 상기 대상 분자의 분자 오비탈 분포를 계산하는 단계, ii) 상기 대상 분자 구조 내의 분자 중심에서 방사방향(radial direction)으로 N 개의 블록, BL(1) 내지 BL(N)을 만드는 단계, iii) 상기 각각의 블록에 연관된 분자 오비탈 비율(BX(k))(k : 1 내지 N의 자연수)을 계산하는 단계, 및 iv) 상기 분자 오비탈 비율(BX(k))의 크기를 기준으로 상기 블록을 순차적으로 재배열하여 블록 스펙트럼을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 a) 단계는 본 발명자가 개발한 분자 오비탈 특성 해석 방법인 "AC2B(Assembly of Consecutive Building Block)"법을 이용하는 단계이다.
분자 상태에서의 분자 오비탈은 분자 내에서의 전자의 파동적(wave-like) 거동을 나타내는 수학적인 모사로 정의할 수 있다. 분자 오비탈이 존재하는 영역은 양자역학 계산을 통해 구할 수 있으며, 상기 양자역학 계산 방법으로는 양자역학을 이용한 방법이라면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 물질의 분자 구조에서 계산되는 각 지점에서의 오비탈 파동 함수(orbital wave function, ψ)의 제곱인 전자 밀도(ψ2)의 분포를 통하여 계산하는 것을 사용할 수 있고, 단일지점　에너지（single point energy）　계산　또는　기하학적　최적화　（geometry optimization）　계산을　이용할 수도 있다. 구체적으로, 본 발명의 발명자들은 DFT (Density Functional Theory) 에 근간을 둔 ACCELRYS 사에서 개발한 MATERIAL STUDIO의 DMol3를 이용하여 분자 오비탈을 계산하였고, 분자 오비탈 그림을 생성하기 위해 MATERIAL STUDIO 패키지의 VISUALIZER를 이용하였다.
본 발명에서, 상기 대상 분자의 전체 분자 구조는, 지정된 분자 전체 블록 개수(N)에 따라 분자 중심을 기준으로 생성된 N 개의 순차적인 블록의 조합으로 구성된다.
이를 위해, 분자 중심(r=0.0)을 시작점으로 해서 방사방향(radial direction)으로 분자 전체를 포함하는 가장 크기가 큰 RDM (radially discrete mesh)을 계산하고 이때의 크기를 r=1.0으로 지정한다. 상기 RDM은 분자의 중심으로부터 출발해서 방사방향 (radial direction)으로 일정한 간격을 가지고 증가하는 메쉬(mesh)를 나타낸다. 상기 RDM에 의한 분자 구조 계산에 있어서, 분자 내 중심(xc, yc, zc)을 구하는 방법은 하기 수학식 1-1 내지 1-3과 같다.
[수학식 1-1]
Figure 112013061806199-pat00001
[수학식 1-2]
Figure 112013061806199-pat00002
[수학식 1-3]
Figure 112013061806199-pat00003
상기 수학식 1-1 내지 1-3에서 NCoord는 분자를 구성하는 원자 좌표의 총 개수를 나타낸다.
블록의 총 개수 N 값은 특별한 제한은 없으나 바람직하게는 3 내지 100의 범위를 갖는다.
상기와 같이 RDM에 의한 분자 구조 계산에 의해, 상기 대상 분자의 전체 분자 구조는 분자 중심으로부터의 거리를 기준으로 블록화될 수 있다.
상기 a)단계는 각각의 블록에 연관된 분자 오비탈 비율(BX(k))을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 각각의 블록에 연관된 분자 오비탈 비율(BX(k))은 전체 분자 오비탈 중에서 k번째 블록에 연관되어 있는 분자 오비탈이 차지하고 있는 양을 의미한다. 상기 각각의 블록에 연관된 분자 오비탈 비율(BX(k))은 상기 각각의 블록에 연관된 분자 오비탈(BMO(k))을 양자역학 계산을 통해 계산하고 이를 통해서 전체 분자 오비탈 합인 SUM을 계산한 다음, 전체 분자 오비탈 합에 대한 각각의 블록에 연관된 분자 오비탈의 비율(BX(k))을 계산함으로써 구할 수 있다.
또한, 상기 a) 단계는 상기 분자 오비탈 비율(BX(k))의 크기를 기준으로 상기 블록의 조합을 순차적으로 재배열하여 재배열된 블록 스펙트럼을 얻는 단계를 포함할 수 있다. 상기 "재배열된 블록 스펙트럼"은 상기 a) 단계에서 얻은 순차적 블록의 조합(AC2B, Assembly of Consecutive Building Block)을 BX(k)를 기준으로 순차적으로 재배열하여 얻은 순차적 블록의 조합을 의미한다.
이를 도 2를 참조하여 자세히 설명하면, 도 2는 1개 물질의 양자역학 방법으로 계산된 전체 분자 구조로부터 AC2B법을 통해 얻은 순차적으로 재배열된 블록 스펙트럼이다. 여기서 AC2B법에서 사용되는 블록의 개수는 모두 5개(N=5)이다.
이에 대해 설명하면, 왼쪽에 나타난 블록 스펙트럼은 분자 중심에서 떨어진 정도에 따라 배열되어 있다. 즉 가장 짙은 색으로 나타낸 BL1이 분자 중심에 가장 가까운 블록이고 가장 옅은 색으로 나타낸 BL5가 분자 중심에서 가장 멀리 떨어져 있는 블록이다. 이러한 블록이 AC2B를 통해 오른쪽에 나타낸 것과 같이 블록과 연관된 분자 오비탈의 양에 따라 재배열된다. 즉 1에 위치한 BL3에 가장 많은 오비탈이 분포하고 있고 BL4에 가장 적은 블록 오비탈이 분포한다.
본 발명은, b) 상기 2개의 대상 분자의 블록 스펙트럼의 서열 비교를 통해 각 서열에서의 동일성을 평가하여 SC(ℓ)(ℓ는 서열번호로 1 내지 N의 자연수)를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
각 서열에서의 동일성 계산은 하기와 같이 1차 내지 3차 동일성 평가(Identity Check I~III)의 총 3단계 평가로 블록 서열의 동일성을 계산하는 단계일 수 있다.
<1차 동일성 평가(Identity Check I)>
2개의 재배열된 블록 스펙트럼의 서열을 각각의 위치에서 비교한다. 본 발명의 바람직한 구체예로서, 총 N=5개의 블록이 재배열된 2개의 블록 스펙트럼의 각각의 위치에서 블록의 동일성을 아래와 같은 1차 동일성 평가를 통해 계산할 수 있다.
Do ℓ=1, N
IF A(ℓ)=B(ℓ)
SC(ℓ)= X if ℓ=1
SC(ℓ)= Y if ℓ=2
SC(ℓ)= Z if ℓ>2
ELSE
SC(ℓ)=0.0
END
END
상기 A(ℓ) 및 B(ℓ)는 각 서열에서의 블록을 의미하며, SC(ℓ)는 각 서열에서 부여된 동일성 평가치이다.
상기 X는 0초과 내지 0.6이하이고, Y는 0초과 내지 0.5이하이고, Z는 0 내지 0.3이하이며, X, Y 및 Z 간에는 X+Y+(N-2)×Z=1.0 의 관계가 성립한다.
상기 1차 동일성 평가는 비교하려는 2개의 재배열된 블록 스펙트럼의 서열을 각각의 위치에서 비교하여 블록이 동일하면 SC(ℓ) 값을 부여하되, ℓ 값이 증가할수록 SC(ℓ) 값을 낮게 부여하는 것을 특징으로 한다.
이를 통해 1차적으로 각 위치에서의 블록 서열의 동일성을 평가하여 계산할 수 있다.
<2차 동일성 평가(Identity Check II)>
2개의 재배열된 블록 스펙트럼의 서열에서 분자 오비탈이 가장 많이 분포하는 ℓ=1, 2 위치에 배열되어 있는 블록에 대해서 아래와 같이 2차 동일성 평가를 통해 블록 서열의 동일성을 평가한다.
Do ℓ=1, N
IF A(ℓ)=B(ℓ+1) and A(ℓ+1)=B(ℓ)
SC(ℓ)=0.4 & SC(ℓ+1)=0.3 if ℓ=1
SC(ℓ)=0.15 & SC(ℓ+1)=0.05 if ℓ=2
ELSE
SC(ℓ)=0.0
END
END
상기 2차 동일성 평가는 비교하려는 2개의 재배열된 블록 스펙트럼에서 제1 블록 스펙트럼의 ℓ=1 위치와 제2 블록 스펙트럼의 ℓ=2 위치에서의 블록이 동일하고, 제1 블록 스펙트럼의 ℓ=2 위치와 제1 블록 스펙트럼의 ℓ=1 위치에서의 블록이 동일하면 SC(ℓ) 값을 부여하는 제1 단계; 및 제1 블록 스펙트럼의 ℓ=2 위치와 제2 블록 스펙트럼의 ℓ=3 위치에서의 블록이 동일하고, 제1 블록 스펙트럼의 ℓ=3 위치와 제2 블록 스펙트럼의 ℓ=2 위치에서의 블록이 동일하면 SC(ℓ) 값을 부여하는 제2 단계를 포함하고, 상기 SC(ℓ) 값은 제1 단계에서 부여된 값이 제2 단계에서 부여된 값보다 높은 것을 특징으로 한다.
<3차 동일성 평가(Identity Check III)>
2개의 재배열된 블록 스펙트럼의 각 위치에서 블록서열거리(d_BL{ℓ})를 계산한다. 블록서열거리(d_BL{ℓ})는 비교하려는 2개의 재배열된 블록 스펙트럼의 각 위치에서 양 블록 스펙트럼 간의 블록서열의 차이를 나타낸다.
상기 3차 동일성 평가는 비교하려는 2개의 재배열된 블록 스펙트럼의 블록서열거리(d_BL{ℓ}) 기준을 설정하고, 각 위치에서의 블록서열거리가 상기 블록서열거리(d_BL{ℓ}) 기준과 동일하면 SC(ℓ) 값을 부여하되, 상기 SC(ℓ) 값은 ℓ 값이 증가함에 따라 감소되도록 부여되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구체예에서, A{1}=BL5이고 B{1}=BL4 이면 d_BL{1}은 |5-4|=1로 첫 번째 위치에서 블록서열의 차이는 1이라는 것을 나타낸다. 이와 같은 블록서열거리를 기준으로 하기와 같이 블록 서열의 3차 동일성 평가를 할 수 있다.
Do ℓ=1, N
IF d_BL{ℓ}=1
SC(ℓ)=0.4 if ℓ=1
SC(ℓ)=0.15 if ℓ=2
SC(ℓ)=0.0 if ℓ>2
ELSE
SC(ℓ)=0.0
END
END
위와 같은 3단계 동일성 평가 단계를 거쳐서 블록 서열의 동일성을 평가하여 계산할 수 있다.
본 발명은, c) 블록 스펙트럼 서열 비교를 통한 동일성 평가 계산 결과로 얻은 SC(ℓ)값을 이용해 2BS-score를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
블록 스펙트럼 서열 비교를 통한 동일성 평가 계산 결과로 얻은 SC(ℓ)값을 이용해 2BS-score를 계산한다. 2BS-score의 계산 방법은 하기 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Figure 112013061806199-pat00004
상기 식에서 N은 블록 스펙트럼 내의 블록 개수이다.
2BS-score는 0~100%사이의 값을 나타내고 2개의 서로 다른 블록 스펙트럼 서열이 정확하게 일치할 경우 100%를 나타내고 블록 스펙트럼의 서열 차이가 클수록 작은 값을 나타낸다.
본 발명에서는 동일성 평가를 위해 2개의 블록 스펙트럼 서열이 정확하게 같은 경우에는 2BS-score=100%인 것으로 하고 블록 스펙트럼 서열의 차이가 클수록 2BS-score는 100%보다 작은 값이 되도록 하여 분자 오비탈 유사도가 나빠지는 것을 나타내게 하였다. 이를 통해 순차적으로 재배열된 블록 스펙트럼을 이용해 서로 다른 분자 오비탈 유사성을 정량적으로 측정할 수 있게 되었다.
또한, 본 발명은 상기 블록 서열 비교를 통한 정량적인 분자 오비탈 유사성 비교방법을 이용한 분자 오비탈 유사성 비교 시스템을 제공한다.
상기 분자 오비탈 유사성 비교 시스템은, a) 분자 오비탈 유사성을 비교할 2개의 대상 분자를 선택한 후 i) 양자역학 계산법을 이용하여 상기 대상 분자 오비탈 분포를 계산하는 단계, ii) 상기 대상 분자 구조 내의 분자 중심에서 방사방향(radial direction)으로 N 개의 블록, BL(1) 내지 BL(N)을 만드는 단계, iii) 상기 각각의 블록에 연관된 분자 오비탈 비율(BX(k))(k : 1~N의 자연수)을 계산하는 단계, 및 iv) 상기 분자 오비탈 비율(BX(k))의 크기를 기준으로 상기 블록을 순차적으로 재배열하여 블록 스펙트럼을 얻는 단계에 의해 블록 스펙트럼을 얻는 블록화 모듈; b) 상기 2개의 대상 분자의 블록 스펙트럼의 서열 비교를 통해 각 서열에서의 동일성을 평가하여 SC(ℓ)(ℓ는 서열번호로 1 내지 N의 자연수)를 계산하여 데이터를 입력받는 제1 데이터 입력 모듈; 및 c) 상기 SC(ℓ)값을 이용해 2BS-score를 계산하는 데이터를 입력받는 제2 데이터 입력 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 블록화 모듈에 있어서, 양자역학 계산법은 물질의 분자 구조에서 계산되는 각 지점에서의 오비탈 파동 함수(orbital wave function, ψ)의 제곱인 전자 밀도(ψ2)의 분포를 통하여 계산하는 것을 사용할 수 있고, 단일지점　에너지（single point energy）　계산　또는　기하학적　최적화　（geometry optimization）　계산을　이용할 수도 있다.
상기 블록화 모듈에 있어서, 전체 분자 구조의 블록화 방법으로 RDM계산방법을 이용할 수 있다.
상기 제1 데이터 입력 모듈에 있어서, 각 서열에서의 동일성 평가는 1차 내지 3차 동일성 평가(Identity Check I~III)의 총 3단계로 블록 서열의 동일성을 계산하는 단계일 수 있다.
상기 제2 데이터 입력 모듈에 있어서, 상기 2BS-score는 블록 스펙트럼 서열 비교를 통한 동일성 평가 계산 결과로 얻은 SC(ℓ)값을 이용해 계산한다. 2BS-score의 계산 방법은 하기 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Figure 112013061806199-pat00005
상기 식에서 N은 블록 스펙트럼 내의 블록 개수이다.
이하 본 발명을 실시예에 기초하여 더욱 상세하게 설명하지만, 하기에 개시되는 본 발명의 실시 형태는 어디까지 예시로서, 본 발명의 범위는 이들의 실시 형태에 한정되지 않는다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 표시되었고, 더욱이 특허 청구범위 기록과 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 함유하고 있다.
실시예
서로 다른 분자 오비탈을 갖는 NPB(N,N'-Di[(1-naphthyl)-N,N'-diphenyl]-1,1'-(biphenyl)-4,4'-diamine)에 대해 서로 다른 전자 상태에서 양자역학 방법으로 계산된 분자 오비탈 A, B에 대해 2BS-score를 적용해 정량적인 평가 능력을 테스트했다. 도 4에 도시된 블록 스펙트럼은 양자역학 이론에 근거한 방법을 이용해서 계산한 상기 분자 오비탈 A와 B에 대해 본 발명에 따라 AC2B법을 적용해 계산하여 나타낸 것이다. 분자 오비탈 계산에는 ACCELRYS사의 MATERIAL STUDIO package의 DMol3를 이용하였다.
블록 스펙트럼 A에서는 분자 중심을 기준으로 중앙에 위치한 블록인 BL3-BL2-BL4가 상위 서열에 재배열되어 있고 블록 스펙트럼 B에서는 중앙부터 외곽에 위치한 블록인 BL4-BL3-BL5가 상위 서열에 위치한다. 이와 같은 2개의 블록 스펙트럼에 대해서 서열 비교를 통한 동일성 평가를 수행해 본 발명에 따라 2BS-score를 계산해 본 결과 2BS-score=55%이다. 2BS-score가 100%보다 크게 작은 값을 가지기 때문에 2개의 분자 오비탈 유사성이 높지 않다는 것을 나타낸다. 블록 스펙트럼 A와 B이 나타내는 분자 오비탈을 MATERIAL STUDIO package의 VISUALIZER를 사용해 도 5와 같이 도시하였다.
도 4의 분자 오비탈을 그림으로 생성한 도 5를 참조하여 정성적으로 판단해 보아도 A와 B의 분자 오비탈 사이의 유사도는 높지 않다. 블록 스펙트럼에서 알 수 있듯이 A는 분자 오비탈이 전체 분자에 고르게 분포하고 있고 B는 분자 오비탈이 분자 중심에 상대적으로 멀리 떨어진 외곽에 주로 분포한다. 이를 통해 2BS-score가 블록 스펙트럼의 서열에서의 동일성 평가를 통해 분자 오비탈 유사성을 정량적으로 평가한다는 것을 알 수 있다.
도 6은 3개의 서로 다른 분자 오비탈을 갖는 NPB(N,N'-Di[(1-naphthyl)-N,N'-diphenyl]-1,1'-(biphenyl)-4,4'-diamine)에 대해 서로 다른 전자 상태에서 양자역학 방법으로 계산된 분자 오비탈 A, B, C 분자에 대해 2BS-score를 각각 계산해 분자 오비탈 유사성을 평가하여 나타낸 것이다. 블록 스펙트럼 A와 B를 비교해 보면 A의 BL5-BL3가 B에서 BL3-BL5로 순서가 뒤바뀐 것 이외에는 동일하다. 이에 대해 계산한 2BS-score=80%로 두 분자 오비탈은 높은 유사도를 나타낸다. 블록 스펙트럼 A와 C는 서로 동일한 블록 스펙트럼을 가지기 때문에 2BS-score=100%를 나타낸다.
도 6의 분자 오비탈을 그림으로 생성한 도 7을 참조하더라도 A와 B는 동일하지는 않지만 분자 오비탈 특성이 서로 비슷하다는 것을 알 수 있고 A와 C는 동일한 분자 오비탈 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
따라서 2BS-score는 분자 오비탈 특성을 블록으로 단순화시킨 블록 스펙트럼을 바탕으로 서로 다른 분자 오비탈 유사도를 정량적으로 정확하게 평가한다는 것을 확인했다.

Claims (18)

  1. a) 분자 오비탈 유사성을 비교할 2개의 대상 분자를 선택한 후 하기 i) 내지 iv) 단계의 방법에 의해 블록 스펙트럼을 얻는 단계:
    i) 양자역학 계산법을 이용하여 상기 대상 분자의 분자 오비탈 분포를 계산하는 단계,
    ii) 상기 대상 분자 구조 내의 분자 중심에서 방사방향(radial direction)으로 N 개의 블록, BL(1) 내지 BL(N)을 만드는 단계,
    iii) 상기 각각의 블록에 연관된 분자 오비탈(BMO(k))을 양자역학 계산을 통해 계산하고 이를 통해서 전체 분자 오비탈 합인 SUM을 계산한 다음, 전체 분자 오비탈 합에 대한 각각의 블록에 연관된 분자 오비탈의 비율(BX(k))(k : 1 내지 N의 자연수)을 계산하는 단계, 및
    iv) 상기 분자 오비탈 비율(BX(k))의 크기를 기준으로 상기 블록을, 분자 오비탈 비율(BX(k))의 크기가 큰 것부터 작은 것 순으로 또는 작은 것부터 큰 것 순으로, 순차적으로 재배열하여 블록 스펙트럼을 얻는 단계;
    b) 상기 2개의 대상 분자의 블록 스펙트럼의 서열 비교를 통해 각 서열에서의 동일성을 하기 i) 1차 내지 iii) 3차 동일성 평가의 총 3단계로 평가하여 SC(ℓ)(ℓ는 서열번호로 1 내지 N의 자연수)를 계산하는 단계; 및
    i) 비교하려는 2개의 재배열된 블록 스펙트럼의 서열을 각각의 위치에서 비교하여 블록이 동일하면 SC(ℓ) 값을 부여하되, ℓ 값이 증가할수록 SC(ℓ) 값을 낮게 부여하는 1차 동일성 평가,
    ii) 하기 ㄱ) 제1단계 및 ㄴ) 제2단계를 포함하는 2차 동일성 평가;
    ㄱ) 비교하려는 2개의 재배열된 블록 스펙트럼에서 제1 블록 스펙트럼의 ℓ=1 위치와 제2 블록 스펙트럼의 ℓ=2 위치에서의 블록이 동일하고, 제1 블록 스펙트럼의 ℓ=2 위치와 제1 블록 스펙트럼의 ℓ=1 위치에서의 블록이 동일하면 SC(ℓ) 값을 부여하는 제1 단계; 및
    ㄴ) 제1 블록 스펙트럼의 ℓ=2 위치와 제2 블록 스펙트럼의 ℓ=3 위치에서의 블록이 동일하고, 제1 블록 스펙트럼의 ℓ=3 위치와 제2 블록 스펙트럼의 ℓ=2 위치에서의 블록이 동일하면 SC(ℓ) 값을 부여하는 제2 단계를 포함하고,
    (상기 SC(ℓ) 값은 상기 제1 단계에서 부여된 값이 상기 제2 단계에서 부여된 값보다 높다); 및
    iii) 비교하려는 2개의 재배열된 블록 스펙트럼의 각 위치에서 양 블록 스펙트럼 간의 블록서열의 차이를 나타내는 블록서열거리(d_BL{ℓ}) 기준을 설정하고, 각 위치에서의 블록서열거리가 상기 블록서열거리(d_BL{ℓ}) 기준과 동일하면 SC(ℓ) 값을 부여하되, 상기 SC(ℓ) 값은 ℓ 값이 증가함에 따라 감소되도록 부여하는 3차 동일성 평가;
    c) 상기 SC(ℓ)값을 이용해 하기 수학식 2에 따른 2BS-score를 계산하는 단계를 포함하는 블록 스펙트럼 서열 비교를 통한 정량적인 분자 오비탈 유사성 비교방법.
    [수학식 2]
    Figure 112016013209961-pat00015

    (상기 식에서 N은 블록 스펙트럼 내의 블록 개수이다.)
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 i) 단계의 양자역학 계산법은 물질의 분자 구조에서 계산되는 각 지점에서의 오비탈 파동 함수(orbital wave function, ψ)의 제곱인 전자 밀도(ψ2)의 분포를 통하여 계산하는 것을 특징으로 하는 블록 스펙트럼 서열 비교를 통한 정량적인 분자 오비탈 유사성 비교방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 i) 단계의 양자역학 계산법은 단일지점　에너지（single point energy）　계산　또는　기하학적　최적화（geometry optimization）　계산을　이용하는 것을 특징으로 하는 블록 스펙트럼 서열 비교를 통한 정량적인 분자 오비탈 유사성 비교방법.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 a) 단계는 분자의 중심으로부터 출발해서 방사 방향 (radial direction)으로 일정한 간격을 가지고 증가하는 메쉬 (mesh)를 생성하여 계산하는 RDM (radially discrete mesh) 계산 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 블록 스펙트럼 서열 비교를 통한 정량적인 분자 오비탈 유사성 비교방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 1차 동일성 평가는 ℓ=1 위치에서 블록이 동일하면 SC(ℓ)= X, ℓ=2 위치에서 블록이 동일하면 SC(ℓ)= Y, ℓ>2 위치에서 블록이 동일하면 SC(ℓ)= Z인 것으로 평가되고,
    상기 X는 0초과 0.6이하이고, Y는 0초과 0.5이하이고, Z는 0 내지 0.3이하이며, X, Y 및 Z 간에는 X+Y+(N-2)×Z=1.0의 관계가 성립하는 것을 특징으로 하는 블록 서열 비교를 통한 정량적인 분자 오비탈 유사성 비교방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 2BS-score는 0~100%사이의 값을 나타내고 2개의 서로 다른 블록 스펙트럼 서열이 정확하게 일치할 경우 100%를 나타내고 블록 스펙트럼의 서열 차이가 클수록 100%보다 작은 값을 나타내는 것을 특징으로 하는 블록 스펙트럼 서열 비교를 통한 정량적인 분자 오비탈 유사성 비교방법.
  14. a) 분자 오비탈 유사성을 비교할 2개의 대상 분자를 선택한 후 i) 양자역학 계산법을 이용하여 상기 대상 분자 오비탈 분포를 계산하는 단계, ii) 상기 대상 분자 구조 내의 분자 중심에서 방사방향(radial direction)으로 N 개의 블록, BL(1) 내지 BL(N)을 만드는 단계, iii) 상기 각각의 블록에 연관된 분자 오비탈(BMO(k))을 양자역학 계산을 통해 계산하고 이를 통해서 전체 분자 오비탈 합인 SUM을 계산한 다음, 전체 분자 오비탈 합에 대한 각각의 블록에 연관된 분자 오비탈의 비율(BX(k))(k : 1 내지 N의 자연수)을 계산하는 단계, 및 iv) 상기 분자 오비탈 비율(BX(k))의 크기를 기준으로 상기 블록을, 분자 오비탈 비율(BX(k))의 크기가 큰 것부터 작은 것 순으로 또는 작은 것부터 큰 것 순으로, 순차적으로 재배열하여 블록 스펙트럼을 얻는 단계에 의해 블록 스펙트럼을 얻는 블록화 모듈;
    b) 상기 2개의 대상 분자의 블록 스펙트럼의 서열 비교를 통해 각 서열에서의 동일성을 하기 i) 1차 내지 iii) 3차 동일성 평가의 총 3단계로 평가하여 SC(ℓ)(ℓ는 서열번호로 1 내지 N의 자연수)를 계산하여 데이터를 입력받는 제1 데이터 입력 모듈; 및
    i) 비교하려는 2개의 재배열된 블록 스펙트럼의 서열을 각각의 위치에서 비교하여 블록이 동일하면 SC(ℓ) 값을 부여하되, ℓ 값이 증가할수록 SC(ℓ) 값을 낮게 부여하는 1차 동일성 평가,
    ii) 하기 ㄱ) 제1단계 및 ㄴ) 제2단계를 포함하는 2차 동일성 평가;
    ㄱ) 비교하려는 2개의 재배열된 블록 스펙트럼에서 제1 블록 스펙트럼의 ℓ=1 위치와 제2 블록 스펙트럼의 ℓ=2 위치에서의 블록이 동일하고, 제1 블록 스펙트럼의 ℓ=2 위치와 제1 블록 스펙트럼의 ℓ=1 위치에서의 블록이 동일하면 SC(ℓ) 값을 부여하는 제1 단계; 및
    ㄴ) 제1 블록 스펙트럼의 ℓ=2 위치와 제2 블록 스펙트럼의 ℓ=3 위치에서의 블록이 동일하고, 제1 블록 스펙트럼의 ℓ=3 위치와 제2 블록 스펙트럼의 ℓ=2 위치에서의 블록이 동일하면 SC(ℓ) 값을 부여하는 제2 단계를 포함하고,
    상기 SC(ℓ) 값은 상기 제1 단계에서 부여된 값이 상기 제2 단계에서 부여된 값보다 높다; 및
    iii) 비교하려는 2개의 재배열된 블록 스펙트럼의 각 위치에서 양 블록 스펙트럼 간의 블록서열의 차이를 나타내는 블록서열거리(d_BL{ℓ}) 기준을 설정하고, 각 위치에서의 블록서열거리가 상기 블록서열거리(d_BL{ℓ}) 기준과 동일하면 SC(ℓ) 값을 부여하되, 상기 SC(ℓ) 값은 ℓ 값이 증가함에 따라 감소되도록 부여하는 3차 동일성 평가; 및
    c) 상기 SC(ℓ)값을 이용해 하기 수학식 2에 따른 2BS-score를 계산하는 데이터를 입력받는 제2 데이터 입력 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 분자 오비탈 유사성 비교 시스템.
    [수학식 2]
    Figure 112016013209961-pat00016

    (상기 식에서 N은 블록 스펙트럼 내의 블록 개수이다.)
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 블록화 모듈의 양자역학 계산법은 물질의 분자 구조에서 계산되는 각 지점에서의 오비탈 파동 함수(orbital wave function, ψ)의 제곱인 전자 밀도(ψ2)의 분포를 통하여 계산하는 것을 사용하거나, 단일지점　에너지（single point energy）　계산　또는　기하학적　최적화　（geometry optimization）　계산을　이용하는 것을 특징으로 하는 분자 오비탈 유사성 비교 시스템.
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