irene conference

Industrial  Strength  QM/MM:  Computa8onal  high  throughput    screening  of  enzyme  ac8vity  in  enzyme  mutants  

Jan  H.  Jensen,  Mar$n  Hediger,  Luca  De  Vico,  Kasper  Primdal,    Allan  Svendsen,  Werner  Besenma=er  

Department  of  Chemistry  University  of  Copenhagen  

MarFn  R.  Hediger,  Luca  De  Vico,  Allan  Svendsen,  Werner  Besenma=er,  Jan  H.  Jensen    “A  ComputaFonal  Methodology  to  Screen  AcFviFes  of  Enzyme  Variants”  PLoS  ONE,  submi=ed.  

h=p://arxiv.org/abs/1203.2950  

Slides  at:  h=p://Fnyurl.com/bsqbojf  

Goal  

Automated  predicFon  of  barrier  height  for  enzymaFc  reacFon  within  24  hr  using  <  10  cores  IdenFfies  promising  candidates  for  further  study    

Industrial  enzyme  design  

High-­‐through  put  screening  of  100s  of  mutants  IdenFfies  promising  candidates  for  further  study  

ComputaFonal  predicFon:  Homology  modeling  

QSAR  (QM  or  QM/MM  too  slow  and  lacks  automaFon)  IdenFfies  promising  candidates  for  further  study  

Further  study:  20-­‐50  mutants  

Slides  at:  h=p://Fnyurl.com/bsqbojf  

Methods  

PM6  implemented  in  Mopac2009  (MOZYME)  

Automated  mutant  builder  (PYMOL)  

Barrier  from  adiabaFc  mapping  

Applica$on  Increase  amidase  acFvity  in  an  estarase  (CalB)  

MarFn  R.  Hediger,  Luca  De  Vico,  Allan  Svendsen,  Werner  Besenma=er,  Jan  H.  Jensen    “A  ComputaFonal  Methodology  to  Screen  AcFviFes  of  Enzyme  Variants”  PLoS  ONE,  submi=ed.  

PM6  is  good  enough  

PM6  and  MOZYME  MOZYME  =  PM6  computed  with  MOZYME  

PM6  =  PM6//MOZYME  MOZYMEReortho  =  MOZYME//MOZYME  

PM6/MOZYME  is  fast  enough  

MOPAC2009  No  parallelized  

55  aa  

PM6/MOZYME  is  fast  enough  

OpFmizaFon   Single  point  

Future  Direc$ons  

Whole  protein  COSMO  solvaFon  

More  automaFzaFon  Be=er  sampling  

Complete  scan  of  single  mutants  Single  -­‐>  double  -­‐>  triple  mutants  

PM6  in  GAMESS  Linear  scaling  PM6  PM6/PCM  interface  

AlternaFves  to  adiabaFc  mapping  

Beyond  PM6:  EFMO  

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

The  Effec@ve  Fragment  Molecular  Orbital  Method  

Jan  H.  Jensen,  Casper  Steinmann,  Mikael  Wistoi  Ibsen,  Kasper  Thoie  University  of  Copenhagen  

Dmitri  Fedorov  AIST,  Japan  

11  

Casper  Steinmann,  Dmitri  G.  Fedorov,  and  Jan  H.  Jensen  “The  EffecFve  Fragment  Molecular  Orbital  Method:  A  Merger  of  the  Fragment  Molecular  Orbital  and  EffecFve  Fragment  PotenFal  Methods”    Journal  of  Physical  Chemistry  A  2010,  114,  8705-­‐8712  

Casper  Steinmann,  Dmitri  G.  Fedorov,  and  Jan  H.  Jensen  “The  EffecFve  Fragment  Molecular  Orbital  Method  for  Fragments  Connected  by  Covalent  Bonds”  PLoS  ONE,  submi=ed.  h=p://arxiv.org/abs/1202.4935  

12  

The  Effec$ve  Fragment  Molecular  Orbital  (EFMO)  method  Using  ideas  from  the  EffecFve  Fragment  PotenFal  (EFP)  and  the  Fragment  Molecular  Orbital  (FMO)  method    

The  Effec$ve  Fragment  Molecular  Orbital  (EFMO)  method  (Using  ideas  from  the  EffecFve  Fragment  PotenFal  (EFP)  method)  

Monomer  SCF  in  the  gas  phase  

Extract  mulFpoles  and  dipole  polarizability  

13  

The  Effec$ve  Fragment  Molecular  Orbital  (EFMO)  method  (Using  ideas  from  the  EffecFve  Fragment  PotenFal  (EFP)  method)  

Many-­‐body  polariza$on  

Computed  classically  using  induced  dipoles  for  enFre  system  

14  

The  Effec$ve  Fragment  Molecular  Orbital  (EFMO)  method  (Using  ideas  from  the  EffecFve  Fragment  PotenFal  (EFP)  method)  

Coulomb  and  Non-­‐Coulomb  effects  

dimer  SCF  in  the  gas  phase  

15  

The  Effec$ve  Fragment  Molecular  Orbital  (EFMO)  method  (Using  ideas  from  the  EffecFve  Fragment  PotenFal  (EFP)  method)  

Coulomb  effects  

Computed  using  staFc  mulFpoles  

16  

MP2  (DFT  doesn’t  scale  well)  

+  0  

17  

Covalent  Fragmenta$on  (ElectrostaFc  screening  crucial)  

18  

Implemented  in  GAMESS  With  gradients  

Trp  cage  (20  residues)  2  residues/fragment  

                                                                                                   EFMO      FMO2  Error  in  energy                                                -­‐4.3                6.4    kcal/mol  

MP2/6-­‐31G(d)  gradient                  314              409    minutes  20  cores  (most  Fme  spent  in  MP2  dimers)  

19  

QM/”MM”  PCM  

Large  parts  of  MM  region    oien    frozen    

=  Requires  only  monomer    gas  phase  calculaFons  

for  that  region  =  

Very  fast  

20  

To  Do  

Flexible  EFP/Polarizable  “Force  Field”  

EEFMO = EI0

I

N

∑ + EIJ0 − EI

0 − EJ0 − EIJ

POL( )IJ

covalentdimers

∑

+ EIJES + EIJ

XR /CT + EIJDisp( )

IJ

N

∑ + EtotPOL

Important  miscellanea  

EFMO  GUI:  FRAGIT  (Mikael  Ibsen)  

TS  search  algorithms  (Kasper  Thoie)  

21  

Funding:    EU  (IRENE  collab  program)  

Thank  You!  

Ques$ons?  

22  

Slides  at:  h=p://Fnyurl.com/bsqbojf