phd defence presentation
DESCRIPTION
My PhD defence on the Effective Fragment Molecular Orbital (EFMO) methodTRANSCRIPT
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
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
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.
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 …
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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)
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
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
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
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
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
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
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