SlideShare a Scribd company logo
1 of 29
The importance of basic science ,[object Object],X-rays, antibiotics, nonivasive imaging, genetic engineering
X-rays Wilhelm Roentgen
Penicillin Alexander Fleming Howard Florey Ernst Chain
The importance of basic science ,[object Object],X-rays, antibiotics, nonivasive imaging, genetic engineering ,[object Object]
 Solve problems indirectly,[object Object]
 Judge proposals on detailsDo: ,[object Object]
 Review and re-review
 Play the odds - the law of large numbers,[object Object]
Industrial Drug Development High throughput screening Long and elaborate Hit-to-Lead process Confidential and Proprietary
Confidential and Proprietary If we did a space launch the way we design drugs we would: ,[object Object]
Shoot another 500 rockets to get one to Mars.
Each new satellite would have to be very similar to a previous one. ,[object Object]
Confidential and Proprietary Crystallography -> Design ->  Synthesis -> Evaluation -> Crystallography -> …
Why can’t theory help? The underlying physical laws necessary for the mathematical theory of a large part of physics and the whole of chemistry are thus completely known, and the difficulty is only that the exact application of these laws leads to equations much too complicated to be soluble. P. A. M. Dirac, Proc. R. Soc. London 123, 714 (1929) This is no longer true, computers can solve the equations. Given 10^12 years.  Confidential and Proprietary
Current force-fields are too simple Confidential and Proprietary
Current force-fields are parametrized depending on application: not extensible ,[object Object]
Parameters change with different applications: a sign of an incomplete model
Polarizability fundamentally impossible  Confidential and Proprietary
Polarization is crucial in drug design Confidential and Proprietary
QUANTUM MECHANICAL POLARIZABLEFORCE FIELD (QMPFF) All major current force fields including AMBER and Merck Molecular Force Field (MMFF) are based on similar principles that date back decades ago QMPFF is designed to be physically more realistic and therefore more accurate by fully integrating quantum physics – made possible by vast increases in computer speed to do necessary calculations
+1 +1 QMPFF CONCEPT Conventional Molecular  Representation  QMPFF Molecular  Representation  H2O H2O + 0.4 - 0.45 - 7.1 +6 - 0.8 - 0.45 + 0.4 Point charges known to be physically unrealistic; no natural way to include important polarization energy term Charge clouds approximate quantum reality; polarization naturally introduced via shifting of electron clouds
QMPFF technology captures the missing details Quantum Mechanical Polarizable Force Field (QMPFF) Polarizable force field models polar interactions (see below) Can model water, gas phase, ligand binding better than any existing computational tools using the same parameters.  Produced Dipole Electric Field + Confidential and Proprietary
Interacting entities are cloud-like, polarizable O Parameterized from QM calculations.  Polarizability is essential to modeling biological interactions.  Electron clouds adjust during the simulation-> (real VdW). + - - - + + H H Confidential and Proprietary
WATER SIMULATIONS WITH QMPFF2
QMPFF vs MMFF94 RING-STACKING OF BENZENE DIMER
QMPFF AND DRUG DESIGN QMPFF via MD simulation can be applied to calculate relative binding free energy (and therefore relative binding affinity) of two related ligands for a protein X-ray structure of protein is required, and structure of complex with representative ligand(s) is very helpful
We mutate one ligand into another Thermodynamic integration Each alchemical mutation requires running a series of simulations.  Takes approximately 8 days per calculation (10 cores).  Most suitable for lead and drug optimization.  Mutation Confidential and Proprietary
2BZA benzyl-ammonium BINDING FREE ENERGY CALCULATIONS FOR 1TNH AND 2BZA IN TRYPSIN 1TNH 4-fluoro-benzyl-ammonium ΔΔG (kcal/mol) QMPFF3     	0.85  0.17 MMFF94	-0.4	 Exper.	0.78
Does it work? Ligand substitution pilot study (trypsin, thrombin and uPA inhibitor families).  Nothing else can predict free energies accurately (see comparison to Merck results below) QMPFF MMFF Confidential and Proprietary Actual

More Related Content

Viewers also liked

Федеральный закон «Об инновационном центре «Сколково»
Федеральный закон «Об инновационном центре «Сколково»Федеральный закон «Об инновационном центре «Сколково»
Федеральный закон «Об инновационном центре «Сколково»igorod
 
Кластер биологических и медицинских технологий: Проекты
Кластер биологических и медицинских технологий: ПроектыКластер биологических и медицинских технологий: Проекты
Кластер биологических и медицинских технологий: Проектыigorod
 
Zelman vladimir exploring new frontiers of brain preservation and protection
Zelman vladimir exploring new frontiers of brain preservation and protectionZelman vladimir exploring new frontiers of brain preservation and protection
Zelman vladimir exploring new frontiers of brain preservation and protectionigorod
 
Dubina Michael biomedical technologies at Skolkovo
Dubina Michael biomedical technologies at SkolkovoDubina Michael biomedical technologies at Skolkovo
Dubina Michael biomedical technologies at Skolkovoigorod
 
Gulyaev Yuri physical fields and radiations of a human
Gulyaev Yuri physical fields and radiations of a humanGulyaev Yuri physical fields and radiations of a human
Gulyaev Yuri physical fields and radiations of a humanigorod
 
Federal Law No. 244-FZ of September 28, 2010
Federal Law No. 244-FZ of September 28, 2010Federal Law No. 244-FZ of September 28, 2010
Federal Law No. 244-FZ of September 28, 2010igorod
 
About Skolkovo
About SkolkovoAbout Skolkovo
About Skolkovoigorod
 

Viewers also liked (7)

Федеральный закон «Об инновационном центре «Сколково»
Федеральный закон «Об инновационном центре «Сколково»Федеральный закон «Об инновационном центре «Сколково»
Федеральный закон «Об инновационном центре «Сколково»
 
Кластер биологических и медицинских технологий: Проекты
Кластер биологических и медицинских технологий: ПроектыКластер биологических и медицинских технологий: Проекты
Кластер биологических и медицинских технологий: Проекты
 
Zelman vladimir exploring new frontiers of brain preservation and protection
Zelman vladimir exploring new frontiers of brain preservation and protectionZelman vladimir exploring new frontiers of brain preservation and protection
Zelman vladimir exploring new frontiers of brain preservation and protection
 
Dubina Michael biomedical technologies at Skolkovo
Dubina Michael biomedical technologies at SkolkovoDubina Michael biomedical technologies at Skolkovo
Dubina Michael biomedical technologies at Skolkovo
 
Gulyaev Yuri physical fields and radiations of a human
Gulyaev Yuri physical fields and radiations of a humanGulyaev Yuri physical fields and radiations of a human
Gulyaev Yuri physical fields and radiations of a human
 
Federal Law No. 244-FZ of September 28, 2010
Federal Law No. 244-FZ of September 28, 2010Federal Law No. 244-FZ of September 28, 2010
Federal Law No. 244-FZ of September 28, 2010
 
About Skolkovo
About SkolkovoAbout Skolkovo
About Skolkovo
 

Similar to Roger kornberg the importance of basic science

Quantum pharmacology. Basics
Quantum pharmacology. BasicsQuantum pharmacology. Basics
Quantum pharmacology. BasicsMobiliuz
 
Computational Organic Chemistry
Computational Organic ChemistryComputational Organic Chemistry
Computational Organic ChemistryIsamu Katsuyama
 
molecular mechanics and quantum mechnics
molecular mechanics and quantum mechnicsmolecular mechanics and quantum mechnics
molecular mechanics and quantum mechnicsRAKESH JAGTAP
 
phd seminar tazeem (1).pptx
phd seminar tazeem (1).pptxphd seminar tazeem (1).pptx
phd seminar tazeem (1).pptxtazeemfatima7
 
FINAL PAPER Rev1
FINAL PAPER Rev1FINAL PAPER Rev1
FINAL PAPER Rev1Sy Rashid
 
Molecular Dynamic: Basics
Molecular Dynamic: BasicsMolecular Dynamic: Basics
Molecular Dynamic: BasicsAjay Murali
 
Molecular Simulation to build models for enzyme induced fit
Molecular Simulation to build models for enzyme induced fit Molecular Simulation to build models for enzyme induced fit
Molecular Simulation to build models for enzyme induced fit MinSung Kim
 
Neural-Networks-primer
Neural-Networks-primerNeural-Networks-primer
Neural-Networks-primerChris Handley
 
computer aided drug designing and molecular modelling
computer aided drug designing and molecular modellingcomputer aided drug designing and molecular modelling
computer aided drug designing and molecular modellingnehla313
 
ADF modeling suite: DFT to MD software for chemistry and materials
ADF modeling suite: DFT to MD software for chemistry and materialsADF modeling suite: DFT to MD software for chemistry and materials
ADF modeling suite: DFT to MD software for chemistry and materialsSoftware for Chemistry & Materials
 
Molecular modelling for M.Pharm according to PCI syllabus
Molecular modelling for M.Pharm according to PCI syllabusMolecular modelling for M.Pharm according to PCI syllabus
Molecular modelling for M.Pharm according to PCI syllabusShikha Popali
 

Similar to Roger kornberg the importance of basic science (20)

Quantum pharmacology. Basics
Quantum pharmacology. BasicsQuantum pharmacology. Basics
Quantum pharmacology. Basics
 
Computational Organic Chemistry
Computational Organic ChemistryComputational Organic Chemistry
Computational Organic Chemistry
 
CADD
CADDCADD
CADD
 
molecular mechanics and quantum mechnics
molecular mechanics and quantum mechnicsmolecular mechanics and quantum mechnics
molecular mechanics and quantum mechnics
 
2D NMR.pptx
2D NMR.pptx2D NMR.pptx
2D NMR.pptx
 
phd seminar tazeem (1).pptx
phd seminar tazeem (1).pptxphd seminar tazeem (1).pptx
phd seminar tazeem (1).pptx
 
FINAL PAPER Rev1
FINAL PAPER Rev1FINAL PAPER Rev1
FINAL PAPER Rev1
 
Chem843 1
Chem843 1Chem843 1
Chem843 1
 
A systematic approach for the generation and verification of structural hypot...
A systematic approach for the generation and verification of structural hypot...A systematic approach for the generation and verification of structural hypot...
A systematic approach for the generation and verification of structural hypot...
 
Molecular Dynamic: Basics
Molecular Dynamic: BasicsMolecular Dynamic: Basics
Molecular Dynamic: Basics
 
Molecular Simulation to build models for enzyme induced fit
Molecular Simulation to build models for enzyme induced fit Molecular Simulation to build models for enzyme induced fit
Molecular Simulation to build models for enzyme induced fit
 
The Performance Validation of Neural Network Based 13C NMR Prediction Using a...
The Performance Validation of Neural Network Based 13C NMR Prediction Using a...The Performance Validation of Neural Network Based 13C NMR Prediction Using a...
The Performance Validation of Neural Network Based 13C NMR Prediction Using a...
 
Neural-Networks-primer
Neural-Networks-primerNeural-Networks-primer
Neural-Networks-primer
 
computer aided drug designing and molecular modelling
computer aided drug designing and molecular modellingcomputer aided drug designing and molecular modelling
computer aided drug designing and molecular modelling
 
Opv radiation
Opv radiationOpv radiation
Opv radiation
 
ADF modeling suite: DFT to MD software for chemistry and materials
ADF modeling suite: DFT to MD software for chemistry and materialsADF modeling suite: DFT to MD software for chemistry and materials
ADF modeling suite: DFT to MD software for chemistry and materials
 
Molecular modelling
Molecular modelling Molecular modelling
Molecular modelling
 
Research_Proposal
Research_ProposalResearch_Proposal
Research_Proposal
 
Molecular modelling for M.Pharm according to PCI syllabus
Molecular modelling for M.Pharm according to PCI syllabusMolecular modelling for M.Pharm according to PCI syllabus
Molecular modelling for M.Pharm according to PCI syllabus
 
Towards More Reliable 13C and 1H Chemical Shift Prediction: A Systematic Comp...
Towards More Reliable 13C and 1H Chemical Shift Prediction: A Systematic Comp...Towards More Reliable 13C and 1H Chemical Shift Prediction: A Systematic Comp...
Towards More Reliable 13C and 1H Chemical Shift Prediction: A Systematic Comp...
 

More from igorod

Принципы политики инновационного центра «Сколково» в области публичных коммун...
Принципы политики инновационного центра «Сколково» в области публичных коммун...Принципы политики инновационного центра «Сколково» в области публичных коммун...
Принципы политики инновационного центра «Сколково» в области публичных коммун...igorod
 
Проект "Разработка оригинальных лекарственных средств для лечения инфекций ви...
Проект "Разработка оригинальных лекарственных средств для лечения инфекций ви...Проект "Разработка оригинальных лекарственных средств для лечения инфекций ви...
Проект "Разработка оригинальных лекарственных средств для лечения инфекций ви...igorod
 
Клаудмак
КлаудмакКлаудмак
Клаудмакigorod
 
Базелевс Инновации
Базелевс ИнновацииБазелевс Инновации
Базелевс Инновацииigorod
 
Сателлит Инновация
Сателлит ИнновацияСателлит Инновация
Сателлит Инновацияigorod
 
М-Пауэр Ворлд
М-Пауэр ВорлдМ-Пауэр Ворлд
М-Пауэр Ворлдigorod
 
ДАТАДВАНС
ДАТАДВАНСДАТАДВАНС
ДАТАДВАНСigorod
 
Фарма Био
Фарма БиоФарма Био
Фарма Биоigorod
 
Уральский центр биофармацевтических технологий
Уральский центр биофармацевтических технологийУральский центр биофармацевтических технологий
Уральский центр биофармацевтических технологийigorod
 
НьюВак
НьюВакНьюВак
НьюВакigorod
 
Команда энергичных предпринимателей
Команда энергичных предпринимателейКоманда энергичных предпринимателей
Команда энергичных предпринимателейigorod
 
АБИ ИнфоПоиск
АБИ ИнфоПоискАБИ ИнфоПоиск
АБИ ИнфоПоискigorod
 
Инноград Пущино
Инноград ПущиноИнноград Пущино
Инноград Пущиноigorod
 
Технопарк «Сколково»
Технопарк «Сколково»Технопарк «Сколково»
Технопарк «Сколково»igorod
 
Научно-технический Центр тонкопленочных технологий на основе кремния
Научно-технический Центр тонкопленочных технологий на основе кремнияНаучно-технический Центр тонкопленочных технологий на основе кремния
Научно-технический Центр тонкопленочных технологий на основе кремнияigorod
 
CeBIT: Благодарственное письмо В.Ф.Вексельбергу (немецкий)
CeBIT: Благодарственное письмо В.Ф.Вексельбергу (немецкий)CeBIT: Благодарственное письмо В.Ф.Вексельбергу (немецкий)
CeBIT: Благодарственное письмо В.Ф.Вексельбергу (немецкий)igorod
 
CeBIT: Благодарственное письмо В.Ф.Вексельбергу
CeBIT: Благодарственное письмо В.Ф.ВексельбергуCeBIT: Благодарственное письмо В.Ф.Вексельбергу
CeBIT: Благодарственное письмо В.Ф.Вексельбергуigorod
 
Презентация проекта литий-ионных аккумуляторов
Презентация проекта литий-ионных аккумуляторовПрезентация проекта литий-ионных аккумуляторов
Презентация проекта литий-ионных аккумуляторовigorod
 
Меморандум о сотрудничестве между Торговым представительством Российской Феде...
Меморандум о сотрудничестве между Торговым представительством Российской Феде...Меморандум о сотрудничестве между Торговым представительством Российской Феде...
Меморандум о сотрудничестве между Торговым представительством Российской Феде...igorod
 
Технопарк «Сколково»
Технопарк «Сколково»Технопарк «Сколково»
Технопарк «Сколково»igorod
 

More from igorod (20)

Принципы политики инновационного центра «Сколково» в области публичных коммун...
Принципы политики инновационного центра «Сколково» в области публичных коммун...Принципы политики инновационного центра «Сколково» в области публичных коммун...
Принципы политики инновационного центра «Сколково» в области публичных коммун...
 
Проект "Разработка оригинальных лекарственных средств для лечения инфекций ви...
Проект "Разработка оригинальных лекарственных средств для лечения инфекций ви...Проект "Разработка оригинальных лекарственных средств для лечения инфекций ви...
Проект "Разработка оригинальных лекарственных средств для лечения инфекций ви...
 
Клаудмак
КлаудмакКлаудмак
Клаудмак
 
Базелевс Инновации
Базелевс ИнновацииБазелевс Инновации
Базелевс Инновации
 
Сателлит Инновация
Сателлит ИнновацияСателлит Инновация
Сателлит Инновация
 
М-Пауэр Ворлд
М-Пауэр ВорлдМ-Пауэр Ворлд
М-Пауэр Ворлд
 
ДАТАДВАНС
ДАТАДВАНСДАТАДВАНС
ДАТАДВАНС
 
Фарма Био
Фарма БиоФарма Био
Фарма Био
 
Уральский центр биофармацевтических технологий
Уральский центр биофармацевтических технологийУральский центр биофармацевтических технологий
Уральский центр биофармацевтических технологий
 
НьюВак
НьюВакНьюВак
НьюВак
 
Команда энергичных предпринимателей
Команда энергичных предпринимателейКоманда энергичных предпринимателей
Команда энергичных предпринимателей
 
АБИ ИнфоПоиск
АБИ ИнфоПоискАБИ ИнфоПоиск
АБИ ИнфоПоиск
 
Инноград Пущино
Инноград ПущиноИнноград Пущино
Инноград Пущино
 
Технопарк «Сколково»
Технопарк «Сколково»Технопарк «Сколково»
Технопарк «Сколково»
 
Научно-технический Центр тонкопленочных технологий на основе кремния
Научно-технический Центр тонкопленочных технологий на основе кремнияНаучно-технический Центр тонкопленочных технологий на основе кремния
Научно-технический Центр тонкопленочных технологий на основе кремния
 
CeBIT: Благодарственное письмо В.Ф.Вексельбергу (немецкий)
CeBIT: Благодарственное письмо В.Ф.Вексельбергу (немецкий)CeBIT: Благодарственное письмо В.Ф.Вексельбергу (немецкий)
CeBIT: Благодарственное письмо В.Ф.Вексельбергу (немецкий)
 
CeBIT: Благодарственное письмо В.Ф.Вексельбергу
CeBIT: Благодарственное письмо В.Ф.ВексельбергуCeBIT: Благодарственное письмо В.Ф.Вексельбергу
CeBIT: Благодарственное письмо В.Ф.Вексельбергу
 
Презентация проекта литий-ионных аккумуляторов
Презентация проекта литий-ионных аккумуляторовПрезентация проекта литий-ионных аккумуляторов
Презентация проекта литий-ионных аккумуляторов
 
Меморандум о сотрудничестве между Торговым представительством Российской Феде...
Меморандум о сотрудничестве между Торговым представительством Российской Феде...Меморандум о сотрудничестве между Торговым представительством Российской Феде...
Меморандум о сотрудничестве между Торговым представительством Российской Феде...
 
Технопарк «Сколково»
Технопарк «Сколково»Технопарк «Сколково»
Технопарк «Сколково»
 

Roger kornberg the importance of basic science

  • 1.
  • 3. Penicillin Alexander Fleming Howard Florey Ernst Chain
  • 4.
  • 5.
  • 6.
  • 7. Review and re-review
  • 8.
  • 9. Industrial Drug Development High throughput screening Long and elaborate Hit-to-Lead process Confidential and Proprietary
  • 10.
  • 11. Shoot another 500 rockets to get one to Mars.
  • 12.
  • 13. Confidential and Proprietary Crystallography -> Design -> Synthesis -> Evaluation -> Crystallography -> …
  • 14. Why can’t theory help? The underlying physical laws necessary for the mathematical theory of a large part of physics and the whole of chemistry are thus completely known, and the difficulty is only that the exact application of these laws leads to equations much too complicated to be soluble. P. A. M. Dirac, Proc. R. Soc. London 123, 714 (1929) This is no longer true, computers can solve the equations. Given 10^12 years. Confidential and Proprietary
  • 15. Current force-fields are too simple Confidential and Proprietary
  • 16.
  • 17. Parameters change with different applications: a sign of an incomplete model
  • 18. Polarizability fundamentally impossible Confidential and Proprietary
  • 19. Polarization is crucial in drug design Confidential and Proprietary
  • 20. QUANTUM MECHANICAL POLARIZABLEFORCE FIELD (QMPFF) All major current force fields including AMBER and Merck Molecular Force Field (MMFF) are based on similar principles that date back decades ago QMPFF is designed to be physically more realistic and therefore more accurate by fully integrating quantum physics – made possible by vast increases in computer speed to do necessary calculations
  • 21. +1 +1 QMPFF CONCEPT Conventional Molecular Representation QMPFF Molecular Representation H2O H2O + 0.4 - 0.45 - 7.1 +6 - 0.8 - 0.45 + 0.4 Point charges known to be physically unrealistic; no natural way to include important polarization energy term Charge clouds approximate quantum reality; polarization naturally introduced via shifting of electron clouds
  • 22. QMPFF technology captures the missing details Quantum Mechanical Polarizable Force Field (QMPFF) Polarizable force field models polar interactions (see below) Can model water, gas phase, ligand binding better than any existing computational tools using the same parameters. Produced Dipole Electric Field + Confidential and Proprietary
  • 23. Interacting entities are cloud-like, polarizable O Parameterized from QM calculations. Polarizability is essential to modeling biological interactions. Electron clouds adjust during the simulation-> (real VdW). + - - - + + H H Confidential and Proprietary
  • 25. QMPFF vs MMFF94 RING-STACKING OF BENZENE DIMER
  • 26. QMPFF AND DRUG DESIGN QMPFF via MD simulation can be applied to calculate relative binding free energy (and therefore relative binding affinity) of two related ligands for a protein X-ray structure of protein is required, and structure of complex with representative ligand(s) is very helpful
  • 27. We mutate one ligand into another Thermodynamic integration Each alchemical mutation requires running a series of simulations. Takes approximately 8 days per calculation (10 cores). Most suitable for lead and drug optimization. Mutation Confidential and Proprietary
  • 28. 2BZA benzyl-ammonium BINDING FREE ENERGY CALCULATIONS FOR 1TNH AND 2BZA IN TRYPSIN 1TNH 4-fluoro-benzyl-ammonium ΔΔG (kcal/mol) QMPFF3 0.85  0.17 MMFF94 -0.4 Exper. 0.78
  • 29. Does it work? Ligand substitution pilot study (trypsin, thrombin and uPA inhibitor families). Nothing else can predict free energies accurately (see comparison to Merck results below) QMPFF MMFF Confidential and Proprietary Actual
  • 31. Does it work? Drug design – blind prediction ---------Predicted Measured Reference compound L
  • 32. Speed-accuracy tradeoffthe exception Confidential and Proprietary Speed 10^12 years 1 week 0.01 sec QM QMPFF Necessary accuracy Precision Conventional Force Fields Docking (Snapshot)
  • 33.
  • 36.