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  

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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  

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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)  

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QM/”MM”  PCM  

Large  parts  of  MM  region    oien    frozen    

=  Requires  only  monomer    gas  phase  calculaFons  

for  that  region  =  

Very  fast  

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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  

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