Quantum  Biochemistry  

Jan  H.  Jensen  University  of  Copenhagen  

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Quantum  Biochemistry  

Enzyme  catalysis  Protein-­‐ligand  binding  

QM/MM  

MM-­‐Parameters  

Boundary  

Linear-­‐Scaling  

Slow  geometry  op<miza<on  

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Blurring  the  boundary  between  linear  scaling  QM,  QM/MM  and  polarizable  force  fields  

The  Effec(ve  Fragment  Molecular  Orbital  Method  

Jan  H.  Jensen,  Anders  Christensen  and    Casper  Steinmann  (SDU)  University  of  Copenhagen  

Dmitri  Fedorov  AIST,  Japan  

JPC  A  2010,  114,  8705  PLoS  ONE  2012,  7:e41117  PLoS  ONE  2012,  7:e44480  PLoS  ONE  2013,  8:  e60602  

arxiv:1305.0676  

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The  EffecDve  Fragment  Molecular  Orbital  (EFMO)  method  (Using  ideas  from  the  Effec<ve  Fragment  Poten<al  (EFP)  method)  

Monomer  SCF  in  the  gas  phase  

Extract  mul<poles  and  dipole  polarizability  

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The  EffecDve  Fragment  Molecular  Orbital  (EFMO)  method  (Using  ideas  from  the  Effec<ve  Fragment  Poten<al  (EFP)  method)  

Many-­‐body  polarizaDon  

Computed  classically  using  induced  dipoles  for  en<re  system  

5  

The  EffecDve  Fragment  Molecular  Orbital  (EFMO)  method  (Using  ideas  from  the  Effec<ve  Fragment  Poten<al  (EFP)  method)  

Coulomb  and  Non-­‐Coulomb  effects  

dimer  SCF  in  the  gas  phase  

6  

The  EffecDve  Fragment  Molecular  Orbital  (EFMO)  method  (Using  ideas  from  the  Effec<ve  Fragment  Poten<al  (EFP)  method)  

Coulomb  effects  

Computed  using  sta<c  mul<poles  

7  

Covalent  FragmentaDon  (Electrosta<c  screening  crucial)  

8  PLoS  ONE  2012,  7:e44480  

QM/”MM”  

Ac<ve  

Frozen  

EEFMO = EA + EA /F + EF

EEFMO = EA0 + EAJ

0 − EA0 − EJ

0 − EIJPOL( )

J∈F

RI ,J ≤Rcut

∑ + EAJES

J∈F

RI ,J >Rcut

∑ + EtotPOL

PLoS  ONE  2013,  8:  e60602   9  

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Proof-­‐of-­‐concept  PLoS  ONE  2013,  8:  e60602  

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

16  Å  

ΔH ≠ = 18 vs 13 (exp)

4  days/path  80  CPUs  

Where  do  we  go  from  here?  

EFMO/PCM  

Open  Shell  

Frequencies  

Large-­‐scale  QM  op<miza<on  s<ll  too  slow:  

MP2:RHF(-­‐D)  op<miza<on*  

DFT:HF-­‐3c#  

DFT:PM6-­‐DH+  

*Christensen,  arxiv:1305.0676  #Grimme,  J.  Comp.  Chem.  early  view  

11  

Thank  you  

QuesDons?  

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