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  Wisto1  Ibsen,  Kasper  Tho1e  University  of  Copenhagen  

Dmitri  Fedorov  AIST,  Japan  

1  

The  Fragment  Molecular  Orbital  (FMO2)  method  (and  most  other  fragmentaEon  methods)  

2  

The  Fragment  Molecular  Orbital  (FMO2)  method  (and  most  other  fragmentaEon  methods)  

Many-­‐body  PolarizaEon:

Monomer  SCF  in  the    Coulomb  field  of  all    other  monomers  

Iterated  to  self-­‐consistency    

3  

The  Fragment  Molecular  Orbital  (FMO2)  method  (and  most  other  fragmentaEon  methods)  

Non-­‐Coulomb  effects:

Dimer  SCF  in  the    Coulomb  field  of  all    other  monomers  

Iterated  to  self-­‐consistency    

4  

The  Fragment  Molecular  Orbital  (FMO2)  method  (and  most  other  fragmentaEon  methods)  

Coulomb  effects:    

Coulomb  energy  in  the    Coulomb  field  of  all    other  monomers  

5  

The  EffecEve  Fragment  Molecular  Orbital  (EFMO)  method  (Using  ideas  from  the  EffecPve  Fragment  PotenPal  (EFP)  method)  

Monomer  SCF  in  the  gas  phase  

Extract  mulPpoles  and  dipole  polarizability  

6  

The  EffecEve  Fragment  Molecular  Orbital  (EFMO)  method  (Using  ideas  from  the  EffecPve  Fragment  PotenPal  (EFP)  method)  

Many-­‐body  polarizaEon  

Computed  classically  using  induced  dipoles  for  enPre  system  

7  

The  EffecEve  Fragment  Molecular  Orbital  (EFMO)  method  (Using  ideas  from  the  EffecPve  Fragment  PotenPal  (EFP)  method)  

Coulomb  and  Non-­‐Coulomb  effects  

dimer  SCF  in  the  gas  phase  

8  

The  EffecEve  Fragment  Molecular  Orbital  (EFMO)  method  (Using  ideas  from  the  EffecPve  Fragment  PotenPal  (EFP)  method)  

Coulomb  effects  

Computed  using  staPc  mulPpoles  

9  

MP2  (DFT  doesn’t  scale  well)  

+  0  

10  

Covalent  FragmentaEon  (ElectrostaPc  screening  crucial)  

11  

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  Pme  spent  in  MP2  dimers)  

12  

To  Do  

QM/”MM”  PCM  

Large  parts  of  MM  region    o1en    frozen    

=  Requires  only  monomer    gas  phase  calculaPons  

for  that  region  =  

Very  fast  

13  

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  Tho1e)  

14  

Funding:    EU  (IRENE  collab  program)  

Thank  You!  

QuesEons  Now?  

QuesEons  Later?  

Leave  a  comment  on  

hgp://proteinsandwavefuncEons.blogspot.com/2011/07/my-­‐presentaPon-­‐for-­‐watoc-­‐2011.html  

15