PhD defence presentation

30
Department of Chemistry University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 1 The Effective Fragment Molecular Orbital Method: The development and application of a parameter free force field Casper Steinmann Department of Chemistry University of Copenhagen Supervisor: Professor Jan H. Jensen

description

My PhD defence on the Effective Fragment Molecular Orbital (EFMO) method

Transcript of PhD defence presentation

Page 1: PhD defence presentation

Overskrift her Navn på oplægsholder Navn på KU-enhed

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 1

The Effective Fragment Molecular Orbital Method: The development and application of a parameter free force field

Casper Steinmann Department of Chemistry University of Copenhagen

Supervisor: Professor Jan H. Jensen

Page 2: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Outline

•  Motivation •  Current approaches to treat large systems •  My work

•  Applications •  Conclusions and Outlook

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 2

Page 3: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Motivation

•  Understand and improve enzyme catalysis

•  Large systems are problematic in a computer

•  Not one go-to program

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 3

KE Ranaghan, AJ Mulholland (2010), Int. Rev. Phys. Chem.

Page 4: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Current approaches to treat large systems

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 4

QM MM

QM/MM

Fragment Based Method

And the other ones …

Page 5: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

I want to study interaction energies …

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 5

Page 6: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Effective Fragment Potential Method (EFP2)

•  EFP2 is a model potential derived from first principles •  Multipole moments •  Dipole polarizability tensors •  Among others …

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 6

doi: 10.1063/1.472045 doi: 10.1021/jp002747h

Page 7: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Effective Fragment Potential Method (EFP2)

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 7

EEFP2 = EHF − EI0

I

N

∑ = EIJES +EIJ

XR +EIJCT( )

IJ

N

∑ +EtotPOL

Page 8: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

The Effective Fragment Potential Method (EFP2)

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 8

Many-body polarization

Computed classically using induced dipoles

for entire system

EEFP2 = EHF − EII

N

∑ = EIJES +EIJ

XR +EIJCT( )

IJ

N

∑ +EtotPOL

Page 9: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

I want interaction energies and internal energies …

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 9

Page 10: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Fragment Based Methods

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 10

EFMO2 = EII

N

∑ + (EIJ −EI −EJ )IJ

N

Fragment Molecular Orbital (FMO2) And most other fragmentation methods

Page 11: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Fragment Based Methods

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 11

EFMO2 = EII

N

∑ + (EIJ −EI −EJ )IJ

N

Many-body Polarization:

Monomer SCF in the Coulomb field of all

other monomers

Iterated to self-consistency

Fragment Molecular Orbital (FMO2) And most other fragmentation methods

Page 12: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Fragment Based Methods

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 12

EFMO2 = EII

N

∑ + (EIJ −EI −EJ )IJ

N

Non-Coulomb effects:

Dimer SCF in the Coulomb field of all

other monomers

Iterated to self-consistency

Page 13: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Fragment Based Methods

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 13

EFMO2 = EII

N

∑ + (EIJ −EI −EJ )IJ

N

Coulomb effects:

Coulomb energy in the Coulomb field of all

other monomers

Page 14: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Fragment Based Methods

•  The FMO2 method •  All monomers converge in the Coulomb field of all other

monomers iteratively. •  Dimers converge in the static Coulomb field

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 14

Page 15: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

I want interaction energies and internal energies …

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 15

FAST

Page 16: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Fragment Based Methods

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 16

EEFMO = EI0

I

N

∑ + (EIJ0 −EI

0 −EJ0 −EIJ

POL )+IJ

RI ,J≤Rcut

∑ EIJES +

IJ

RI ,J>Rcut

∑ EtotPOL

Monomer SCF in the gas phase

Extract multipoles, and dipole polarizabilities

PLoS ONE 2012, 7:e41117

Page 17: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Fragment Based Methods

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 17

EEFMO = EI0

I

N

∑ + (EIJ0 −EI

0 −EJ0 −EIJ

POL )+IJ

RI ,J≤Rcut

∑ EIJES +

IJ

RI ,J>Rcut

∑ EtotPOL

Many-body polarization

Computed classically using induced dipoles

for entire system

Page 18: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Fragment Based Methods - EFMO

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 18

EEFMO = EI0

I

N

∑ + (EIJ0 −EI

0 −EJ0 −EIJ

POL )+IJ

RI ,J≤Rcut

∑ EIJES +

IJ

RI ,J>Rcut

∑ EtotPOL

Coulomb and Non-Coulomb effects

dimer SCF in the

gas phase

Page 19: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Fragment Based Methods - EFMO

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 19

EEFMO = EI0

I

N

∑ + (EIJ0 −EI

0 −EJ0 −EIJ

POL )+IJ

RI ,J≤Rcut

∑ EIJES +

IJ

RI ,J>Rcut

∑ EtotPOL

Coulomb effects

Computed using static multipoles

Page 20: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Fragment Based Methods - EFMO

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 20

ECOR = EICOR

I

N

∑ + (EIJCOR −EI

COR −EJCOR )+

IJ

RI ,J≤Rcut

∑ 0

Page 21: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Covalent Fragmentation - EFMO

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 21

PLoS ONE 2012, 7:e41117

Page 22: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Software to help setup calculations: FragIt

•  Use SMARTS to find places to break bonds

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 22

PLoS ONE 2012, 7:e44480

Page 23: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Software to help setup calculations: FragIt

•  Use SMARTS to find places to break bonds

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 23

PLoS ONE 2012, 7:e44480

Chignolin (10 residues)

Page 24: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Fragment Based Methods - EFMO Gradients

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 24

EFMO FMO2 Error in energy -4.3 6.4 kcal/mol MP2/6-31G(d) gradient 314 409 minutes 20 cores (most time spent in MP2 dimers)

PLoS ONE 2012, 7:e41117

Trp cage (20 residues) 2 residues/fragment

Page 25: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Fragment Based Methods - EFMO QM/”MM”

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 25

Active

Frozen

arxiv.org/abs/1212.6172

EEFMO = EA0 + EAJ

0 −EA0 −EJ

0 −EAJPOL( )

J∈F

RA,J≤Rcut

∑ + EAJES

J∈F

RA,J>Rcut

∑ +EtotPOL

EEFMO = EA + EA /F + EF

Page 26: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Proof of concept – chorismate mutase

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 26

arxiv.org/abs/1212.6172

ONIOM: MP2/cc-pVDZ:EFMO-RHF/6-31G(d)

16 Å

ΔH ≠ =18 vs 13 (exp) kcal/mol

Page 27: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Conclusion and Outlook

•  Fast polarizable force field •  Applicable to any system EFMO/PCM Fully flexible EFPs Combine MP2:RHF-D optimization

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 27

EFIEFMO = EI0

I

N

∑ + (EIJ0 −EI

0 −EJ0 −EIJ

POL )+IJ

RI ,J≤Rcut

∑ (EIJES +EIJ

CT +EIJXR +EIJ

Disp )+IJ

RI ,J>Rcut

∑ EtotPOL

Page 28: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Acknowledgements

•  Jan Jensen •  Dmitri Fedorov, AIST, Japan •  Colleagues at the Department of Chemistry •  Friends and Family •  In silico Rational Engineering of Novel Enzymes (IRENE)

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 28

Page 29: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 29

Page 30: PhD defence presentation

Tekst starter uden punktopstilling For at få punkt-opstilling på teksten, brug forøg indrykning For at få venstre-stillet tekst uden punktopstilling, brug formindsk indrykning

Overskrift her

For at ændre ”Enhedens navn” og ”Sted og dato”: Klik i menulinjen, vælg ”Indsæt” > ”Sidehoved / Sidefod”. Indføj ”Sted og dato” i feltet for dato og ”Enhedens navn” i Sidefod

Thank you for listening

Department of Chemistry

University of Copenhagen, Feb. 12th, 2013 Dias 30