Computation of intermolecular interactions is a challenge in drug discovery because accurate ab initio techniques are too computationally expensive to be routinely applied to drug–protein models. Classical force fields are more computationally feasible, and force fields designed to match symmetry adapted perturbation theory (SAPT) interaction energies can remain accurate in this context. Unfortunately, the application of such force fields is complicated by the laborious parameterization required for computations on new molecules. Here, we introduce the component-based machine-learned intermolecular force field (CLIFF), which combines accurate, physics-based equations for intermolecular interaction energies with machine-learning models to enable automatic parameterization. The CLIFF uses functional forms corresponding to electrostatic, exchange-repulsion, induction/polarization, and London dispersion components in SAPT. Molecule-independent parameters are fit with respect to SAPT2+(3)δMP2/aug-cc-pVTZ, and molecule-dependent atomic parameters (atomic widths, atomic multipoles, and Hirshfeld ratios) are obtained from machine learning models developed for C, N, O, H, S, F, Cl, and Br. The CLIFF achieves mean absolute errors (MAEs) no worse than 0.70 kcal mol−1 in both total and component energies across a diverse dimer test set. For the side chain–side chain interaction database derived from protein fragments, the CLIFF produces total interaction energies with an MAE of 0.27 kcal mol−1 with respect to reference data, outperforming similar and even more expensive methods. In applications to a set of model drug–protein interactions, the CLIFF is able to accurately rank-order ligand binding strengths and achieves less than 10% error with respect to SAPT reference values for most complexes.

1.
C. D.
Sherrill
,
T.
Takatani
, and
E. G.
Hohenstein
,
J. Phys. Chem. A
113
,
10146
(
2009
).
2.
S.
Grimme
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
1
,
211
(
2011
).
3.
E. G.
Hohenstein
and
C. D.
Sherrill
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
2
,
304
(
2012
).
4.
K.
Szalewicz
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
2
,
254
(
2012
).
5.
K.
Patkowski
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
10
,
e1452
(
2020
).
6.
E. G.
Hohenstein
,
R. M.
Parrish
,
C. D.
Sherrill
,
J. M.
Turney
, and
H. F.
Schaefer
,
J. Chem. Phys.
135
,
174107
(
2011
).
7.
C. D.
Sherrill
,
Acc. Chem. Res.
46
,
1020
(
2013
).
8.
R. M.
Parrish
,
D. F.
Sitkoff
,
D. L.
Cheney
, and
C. D.
Sherrill
,
Chemistry
23
,
7887
(
2017
).
9.
A. J.
Stone
and
A. J.
Misquitta
,
Int. Rev. Phys. Chem.
26
,
193
(
2007
).
10.
J. G.
McDaniel
and
J. R.
Schmidt
,
J. Phys. Chem. A
117
,
2053
(
2013
).
11.
J. G.
McDaniel
and
J. R.
Schmidt
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
67
,
467
(
2016
).
12.
M. M.
Ghahremanpour
,
P. J.
van Maaren
,
C.
Caleman
,
G. R.
Hutchison
, and
D.
van der Spoel
,
J. Chem. Theory Comput.
14
,
5553
(
2018
).
13.
K.
Yu
,
J. G.
McDaniel
, and
J. R.
Schmidt
,
J. Phys. Chem. B
115
,
10054
(
2011
).
14.
J. R.
Schmidt
,
K.
Yu
, and
J. G.
McDaniel
,
Acc. Chem. Res.
48
,
548
(
2015
).
15.
J. G.
McDaniel
,
C. Y.
Son
, and
A.
Yethiraj
,
J. Phys. Chem. B
122
,
4101
(
2018
).
16.
K.-j.
Jeong
,
J. G.
McDaniel
, and
A.
Yethiraj
,
J. Phys. Chem. B
124
,
7475
(
2020
).
17.
A. J.
Misquitta
,
A. J.
Stone
, and
F.
Fazeli
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
5405
(
2014
).
18.
S.
Grimme
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
4497
(
2014
).
19.
S.
Grimme
,
C.
Bannwarth
,
E.
Caldeweyher
,
J.
Pisarek
, and
A.
Hansen
,
J. Chem. Phys.
147
,
161708
(
2017
).
20.
D. J.
Cole
,
J. Z.
Vilseck
,
J.
Tirado-Rives
,
M. C.
Payne
, and
W. L.
Jorgensen
,
J. Chem. Theory Comput.
12
,
2312
(
2016
).
21.
A. J.
Stone
,
Chem. Phys. Lett.
83
,
233
(
1981
).
22.
A. J.
Stone
,
J. Chem. Theory Comput.
1
,
1128
(
2005
).
23.
N.
Rai
and
J. I.
Siepmann
,
J. Phys. Chem. B
117
,
273
(
2012
).
24.
A. J.
Misquitta
and
A. J.
Stone
,
J. Chem. Theory Comput.
12
,
4184
(
2016
).
25.
A. J.
Misquitta
and
A. J.
Stone
,
Theor. Chem. Acc.
137
,
153
(
2018
).
26.
M. J.
Van Vleet
,
A. J.
Misquitta
,
A. J.
Stone
, and
J. R.
Schmidt
,
J. Chem. Theory Comput.
12
,
3851
(
2016
).
27.
M. J.
Van Vleet
,
A. J.
Misquitta
, and
J. R.
Schmidt
,
J. Chem. Theory Comput.
14
,
739
(
2018
).
28.
S.
Vandenbrande
,
M.
Waroquier
,
V. V.
Speybroeck
, and
T.
Verstraelen
,
J. Chem. Theory Comput.
13
,
161
(
2017
).
29.
P.
Ren
,
C.
Wu
, and
J. W.
Ponder
,
J. Chem. Theory Comput.
7
,
3143
(
2011
).
30.
Y.
Shi
,
Z.
Xia
,
J.
Zhang
,
R.
Best
,
C.
Wu
,
J. W.
Ponder
, and
P.
Ren
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
4046
(
2013
).
31.
H.
Chu
,
X.
Peng
,
Y.
Li
,
Y.
Zhang
, and
G.
Li
,
Molecules
23
,
77
(
2017
).
32.
C.
Zhang
,
D.
Bell
,
M.
Harger
, and
P.
Ren
,
J. Chem. Theory Comput.
13
,
666
(
2017
).
33.
C.
Liu
,
J.-P.
Piquemal
, and
P.
Ren
,
J. Chem. Theory Comput.
15
,
4122
(
2019
).
34.
M. L.
Laury
,
Z.
Wang
,
A. S.
Gordon
, and
J. W.
Ponder
,
J. Comput.-Aided Mol. Des.
32
,
1087
(
2018
).
35.
P. V. G. M.
Rathnayake
,
S.
Bernardi
, and
A.
Widmer-Cooper
,
J. Chem. Phys.
152
,
024117
(
2020
).
36.
K.
Yao
,
J. E.
Herr
,
D. W.
Toth
,
R.
Mckintyre
, and
J.
Parkhill
,
Chem. Sci.
9
,
2261
(
2018
).
37.
P.
Gkeka
,
G.
Stoltz
,
A.
Barati Farimani
,
Z.
Belkacemi
,
M.
Ceriotti
,
J. D.
Chodera
,
A. R.
Dinner
,
A. L.
Ferguson
,
J.-B.
Maillet
,
H.
Minoux
,
C.
Peter
,
F.
Pietrucci
,
A.
Silveira
,
A.
Tkatchenko
,
Z.
Trstanova
,
R.
Wiewiora
, and
T.
Lelièvre
,
J. Chem. Theory Comput.
16
,
4757
(
2020
).
38.
D.
Koner
,
S. M.
Salehi
,
P.
Mondal
, and
M.
Meuwly
,
J. Chem. Phys.
153
,
010901
(
2020
).
39.
J.
Pei
,
L. F.
Song
, and
K. M.
Merz
, Jr.
,
J. Chem. Theory Comput.
16
,
5385
(
2020
).
40.
J.
Behler
and
M.
Parrinello
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
146401
(
2007
).
41.
J.
Behler
,
J. Chem. Phys.
134
,
074106
(
2011
).
42.
J. S.
Smith
,
O.
Isayev
, and
A. E.
Roitberg
,
Chem. Sci.
8
,
3192
(
2017
).
43.
K. T.
Schütt
,
F.
Arbabzadah
,
S.
Chmiela
,
K. R.
Müller
, and
A.
Tkatchenko
,
Nat. Commun.
8
,
13890
(
2017
).
44.
N.
Lubbers
,
J. S.
Smith
, and
K.
Barros
,
J. Chem. Phys.
148
,
241715
(
2018
).
45.
K. T.
Schütt
,
H. E.
Sauceda
,
P.-J.
Kindermans
,
A.
Tkatchenko
, and
K.-R.
Müller
,
J. Chem. Phys.
148
,
241722
(
2018
).
46.
J. S.
Smith
,
B. T.
Nebgen
,
R.
Zubatyuk
,
N.
Lubbers
,
C.
Devereux
,
K.
Barros
,
S.
Tretiak
,
O.
Isayev
, and
A. E.
Roitberg
,
Nat. Commun.
10
,
2903
(
2019
).
47.
O. T.
Unke
and
M.
Meuwly
,
J. Chem. Theory Comput.
15
,
3678
(
2019
).
48.
A. S.
Christensen
,
L. A.
Bratholm
,
F. A.
Faber
, and
O.
Anatole von Lilienfeld
,
J. Chem. Phys.
152
,
044107
(
2020
).
49.
C.
Devereux
,
J. S.
Smith
,
K. K.
Davis
,
K.
Barros
,
R.
Zubatyuk
,
O.
Isayev
, and
A. E.
Roitberg
,
J. Chem. Theory Comput.
16
,
4192
(
2020
).
50.
D. P.
Metcalf
,
A.
Koutsoukas
,
S. A.
Spronk
,
B. L.
Claus
,
D. A.
Loughney
,
S. R.
Johnson
,
D. L.
Cheney
, and
C. D.
Sherrill
,
J. Chem. Phys.
152
,
074103
(
2020
).
51.
Z. L.
Glick
,
D. P.
Metcalf
,
A.
Koutsoukas
,
S. A.
Spronk
,
D. L.
Cheney
, and
C. D.
Sherrill
,
J. Chem. Phys.
153
,
044112
(
2020
).
52.
J.
Wang
,
P.
Cieplak
,
J.
Li
,
Q.
Cai
,
M.-J.
Hsieh
,
R.
Luo
, and
Y.
Duan
,
J. Phys. Chem. B
116
,
7088
(
2012
).
53.
Y.
Li
,
H.
Li
,
F. C.
Pickard
 IV
,
B.
Narayanan
,
F. G.
Sen
,
M. K. Y.
Chan
,
S. K. R. S.
Sankaranarayanan
,
B. R.
Brooks
, and
B.
Roux
,
J. Chem. Theory Comput.
13
,
4492
(
2017
).
54.
R.
Galvelis
,
S.
Doerr
,
J. M.
Damas
,
M. J.
Harvey
, and
G.
De Fabritiis
,
J. Chem. Inf. Model.
59
,
3485
(
2019
).
55.
T.
Bereau
,
R. A.
DiStasio
, Jr.
,
A.
Tkatchenko
, and
O. A.
von Lilienfeld
,
J. Chem. Phys.
148
,
241706
(
2018
).
56.
R. F. W.
Bader
,
Chem. Rev.
91
,
893
(
1991
).
57.
E.
Pastorczak
and
C.
Corminboeuf
,
J. Chem. Phys.
146
,
120901
(
2017
).
58.
T.
Verstraelen
,
S.
Vandenbrande
,
F.
Heidar-Zadeh
,
L.
Vanduyfhuys
,
V.
Van Speybroeck
,
M.
Waroquier
, and
P. W.
Ayers
,
J. Chem. Theory Comput.
12
,
3894
(
2016
).
59.
F. L.
Hirshfeld
,
Theor. Chim. Acta
44
,
129
(
1977
).
60.
A.
Tkatchenko
and
M.
Scheffler
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
073005
(
2009
).
61.
M.
Rupp
,
A.
Tkatchenko
,
K.-R.
Müller
, and
O. A.
von Lilienfeld
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
058301
(
2012
).
62.
B.
Huang
and
O. A.
von Lilienfeld
,
J. Chem. Phys.
145
,
161102
(
2016
).
63.
B.
Huang
and
O. A.
von Lilienfeld
,
Nat. Chem.
12
,
945
(
2020
).
64.
A. S.
Christensen
,
A.
Faber
,
B.
Huang
,
L. A.
Bratholm
,
A.
Tkatchenko
,
K.-R.
Müller
, and
O. A.
von Lilienfeld
(2017) “
QML: A python toolkit for quantum machine learning
,” https://github.com/qmlcode/qml.
65.
D.
Mendez
,
A.
Gaulton
,
A. P.
Bento
,
J.
Chambers
,
M.
De Veij
,
E.
Félix
,
M. P.
Magariños
,
J. F.
Mosquera
,
P.
Mutowo
,
M.
Nowotka
,
M.
Gordillo-Marañón
,
F.
Hunter
,
L.
Junco
,
G.
Mugumbate
,
M.
Rodriguez-Lopez
,
F.
Atkinson
,
N.
Bosc
,
C. J.
Radoux
,
A.
Segura-Cabrera
,
A.
Hersey
, and
A. R.
Leach
,
Nucleic Acids Res.
47
,
D930
(
2019
).
66.
D. G. A.
Smith
,
L. A.
Burns
,
A. C.
Simmonett
,
R. M.
Parrish
,
M. C.
Schieber
,
R.
Galvelis
,
P.
Kraus
,
H.
Kruse
,
R.
Di Remigio
,
A.
Alenaizan
,
A. M.
James
,
S.
Lehtola
,
J. P.
Misiewicz
,
M.
Scheurer
,
R. A.
Shaw
,
J. B.
Schriber
,
Y.
Xie
,
Z. L.
Glick
,
D. A.
Sirianni
,
J. S.
O’Brien
,
J. M.
Waldrop
,
A.
Kumar
,
E. G.
Hohenstein
,
B. P.
Pritchard
,
B. R.
Brooks
,
H. F.
Schaefer
,
A. Y.
Sokolov
,
K.
Patkowski
,
A. E.
DePrince
,
U.
Bozkaya
,
R. A.
King
,
F. A.
Evangelista
,
J. M.
Turney
,
T. D.
Crawford
, and
C. D.
Sherrill
,
J. Chem. Phys.
152
,
184108
(
2020
).
67.
T.
Verstraelen
,
P.
Tecmer
,
F.
Heidar-Zadeh
,
C. E.
González-Espinoza
,
M.
Chan
,
T. D.
Kim
,
K.
Boguslawski
,
S.
Fias
,
S.
Vandenbrande
,
D.
Berrocal
, and
P. W.
Ayers
, HORTON 2.1.1,
2017
.
68.
A. J.
Stone
,
The Theory of Intermolecular Forces
(
Oxford University Press
,
2013
).
69.
J. A.
Rackers
,
Q.
Wang
,
C.
Liu
,
J.-P.
Piquemal
,
P.
Ren
, and
J. W.
Ponder
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
19
,
276
(
2017
).
70.
Y. S.
Kim
,
S. K.
Kim
, and
W. D.
Lee
,
Chem. Phys. Lett.
80
,
574
(
1981
).
71.
C.
Nyeland
and
J. P.
Toennies
,
Chem. Phys. Lett.
127
,
172
(
1986
).
72.
G.
Ihm
,
M. W.
Cole
,
F.
Toigo
, and
J. R.
Klein
,
Phys. Rev. A
42
,
5244
(
1990
).
73.
N.
Gresh
,
G. A.
Cisneros
,
T. A.
Darden
, and
J.-P.
Piquemal
,
J. Chem. Theory Comput.
3
,
1960
(
2007
).
74.
M. S.
Gordon
,
L.
Slipchenko
,
H.
Li
, and
J. H.
Jensen
,
Annual Reports in Computational Chemistry
(
Elsevier
,
2007
), pp.
177
193
.
75.
M. S.
Gordon
,
D. G.
Fedorov
,
S. R.
Pruitt
, and
L. V.
Slipchenko
,
Chem. Rev.
112
,
632
(
2012
).
76.
M. S.
Gordon
,
Q. A.
Smith
,
P.
Xu
, and
L. V.
Slipchenko
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
64
,
553
(
2013
).
77.
A. J.
Misquitta
,
B.
Jeziorski
, and
K.
Szalewicz
,
Phys. Rev. Lett.
91
,
033201
(
2003
).
78.
A. J.
Misquitta
,
R.
Podeszwa
,
B.
Jeziorski
, and
K.
Szalewicz
,
J. Chem. Phys.
123
,
214103
(
2005
).
79.
S.
Grimme
,
J.
Antony
,
S.
Ehrlich
, and
H.
Krieg
,
J. Chem. Phys.
132
,
154104
(
2010
).
80.
E.
Caldeweyher
,
C.
Bannwarth
, and
S.
Grimme
,
J. Chem. Phys.
147
,
034112
(
2017
).
81.
G.
Prampolini
,
P. R.
Livotto
, and
I.
Cacelli
,
J. Chem. Theory Comput.
11
,
5182
(
2015
).
82.
K.
Strutyński
,
J. A. N. F.
Gomes
, and
M.
Melle-Franco
,
J. Phys. Chem. A
118
,
9561
(
2014
).
83.
Y.
Liu
and
W. A.
Goddard
 III
,
J. Phys. Chem. Lett.
1
,
2550
(
2010
).
84.
K. U.
Lao
and
J. M.
Herbert
,
J. Phys. Chem. Lett.
3
,
3241
(
2012
).
85.
M.
Kim
,
W. J.
Kim
,
T.
Gould
,
E. K.
Lee
,
S.
Lebègue
, and
H.
Kim
,
J. Am. Chem. Soc.
142
,
2346
(
2020
).
86.
K. T.
Tang
and
J. P.
Toennies
,
J. Chem. Phys.
80
,
3726
(
1984
).
87.
X.
Chu
and
A.
Dalgarno
,
J. Chem. Phys.
121
,
4083
(
2004
).
88.
B. T.
Thole
,
Chem. Phys.
59
,
341
(
1981
).
89.
P.
Ren
and
J. W.
Ponder
,
J. Phys. Chem. B
107
,
5933
(
2003
).
90.
T. S.
Totton
,
A. J.
Misquitta
, and
M.
Kraft
,
J. Chem. Theory Comput.
6
,
683
(
2010
).
91.
T. M.
Parker
,
L. A.
Burns
,
R. M.
Parrish
,
A. G.
Ryno
, and
C. D.
Sherrill
,
J. Chem. Phys.
140
,
094106
(
2014
).
92.
J.
Řezáč
,
K. E.
Riley
, and
P.
Hobza
,
J. Chem. Theory Comput.
7
,
2427
(
2011
).
93.
J.
Řezáč
,
K. E.
Riley
, and
P.
Hobza
,
J. Chem. Theory Comput.
7
,
3466
(
2011
).
94.
J.
Řezáč
,
K. E.
Riley
, and
P.
Hobza
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
1359
(
2014
).
95.
L. A.
Burns
,
J. C.
Faver
,
Z.
Zheng
,
M. S.
Marshall
,
D. G. A.
Smith
,
K.
Vanommeslaeghe
,
A. D.
MacKerell
, Jr.
,
K. M.
Merz
, Jr.
, and
C. D.
Sherrill
,
J. Chem. Phys.
147
,
161727
(
2017
).
96.
J.
Řezáč
,
K. E.
Riley
, and
P.
Hobza
,
J. Chem. Theory Comput.
8
,
4285
(
2012
).
97.
D. G. A.
Smith
,
L. A.
Burns
,
K.
Patkowski
, and
C. D.
Sherrill
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
2197
(
2016
).
98.
L. A.
Burns
,
Á. V.
Mayagoitia
,
B. G.
Sumpter
, and
C. D.
Sherrill
,
J. Chem. Phys.
134
,
084107
(
2011
).
99.
M. S.
Marshall
,
L. A.
Burns
, and
C. D.
Sherrill
,
J. Chem. Phys.
135
,
194102
(
2011
).
100.
M. S.
Marshall
and
C. D.
Sherrill
,
J. Chem. Theory Comput.
7
,
3978
(
2011
).
101.
M. J. S.
Dewar
,
E. G.
Zoebisch
,
E. F.
Healy
, and
J. J. P.
Stewart
,
J. Am. Chem. Soc.
107
,
3902
(
2002
).
102.
M.
Korth
,
M.
Pitoňák
,
J.
Řezáč
, and
P.
Hobza
,
J. Chem. Theory Comput.
6
,
344
(
2010
).
103.
D. A.
Case
,
T. A.
Darden
,
T. E.
Cheatham
 III
,
C. L.
Simmerling
,
J.
Wang
,
R. E.
Duke
,
R.
Luo
,
R. C.
Walker
,
W.
Zhang
,
K. M.
Merz
,
B.
Roberts
,
S.
Hayik
,
A.
Roitberg
,
G.
Seabra
,
J.
Swails
,
A. W.
Götz
,
I.
Kolossváry
,
K. F.
Wong
,
F.
Paesani
,
J.
Vanicek
,
R. M.
Wolf
,
J.
Liu
,
X.
Wu
,
S. R.
Brozell
,
T.
Steinbrecher
,
H.
Gohlke
,
Q.
Cai
,
X.
Ye
,
J.
Wang
,
M.-J.
Hsieh
,
G.
Cui
,
D. R.
Roe
,
D. H.
Mathews
,
M. G.
Seetin
,
R.
Salomon-Ferrer
,
C.
Sagui
,
V.
Babin
,
T.
Luchko
,
S.
Gusarov
,
A.
Kovalenko
, and
P.
Kollman
,
AMBER 2015
(
University of California
,
San Francisco, CA
,
2012
).
104.
K.
Vanommeslaeghe
,
E. P.
Raman
, and
A. D.
MacKerell
,
J. Chem. Inf. Model.
52
,
3155
(
2012
).
105.
B. R.
Brooks
,
C. L.
Brooks
,
A. D.
MacKerell
,
L.
Nilsson
,
R. J.
Petrella
,
B.
Roux
,
Y.
Won
,
G.
Archontis
,
C.
Bartels
,
S.
Boresch
,
A.
Caflisch
,
L.
Caves
,
Q.
Cui
,
A. R.
Dinner
,
M.
Feig
,
S.
Fischer
,
J.
Gao
,
M.
Hodoscek
,
W.
Im
,
K.
Kuczera
,
T.
Lazaridis
,
J.
Ma
,
V.
Ovchinnikov
,
E.
Paci
,
R. W.
Pastor
,
C. B.
Post
,
J. Z.
Pu
,
M.
Schaefer
,
B.
Tidor
,
R. M.
Venable
,
H. L.
Woodcock
,
X.
Wu
,
W.
Yang
,
D. M.
York
, and
M.
Karplus
,
J. Comput. Chem.
30
,
1545
(
2009
).
106.
A. T.
Macias
and
A. D.
Mackerell
,
J. Comput. Chem.
26
,
1452
(
2005
).
107.
C. D.
Sherrill
,
B. G.
Sumpter
,
M. O.
Sinnokrot
,
M. S.
Marshall
,
E. G.
Hohenstein
,
R. C.
Walker
, and
I. R.
Gould
,
J. Comput. Chem.
30
,
2187
(
2009
).
108.
T. M.
Parker
and
C. D.
Sherrill
,
J. Chem. Theory Comput.
11
,
4197
(
2015
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.