Coarse-grained (CG) models provide a computationally efficient means for investigating biological and soft-matter processes that evolve on long time scales and large length scales. The present work introduces an extended ensemble framework for calculating transferable CG potentials that accurately reproduce the structure of atomistic models for multiple systems. This framework identifies a generalized potential of mean force (PMF) as the appropriate CG potential for reproducing the structural correlations of an atomistic extended ensemble. A variational approach is developed for calculating transferable potentials that provide an optimal approximation to this PMF. Calculations for binary mixtures of alkanes and alcohols demonstrate that the extended ensemble potentials provide improved transferability relative to potentials calculated for a single system.

1.
M.
Karplus
and
J. A.
McCammon
,
Nat. Struct. Mol. Biol.
9
,
646
(
2002
).
2.
G.
Brannigan
,
L. C.-L.
Lin
, and
F. L. H.
Brown
,
Eur. Biophys. J.
35
,
104
(
2006
).
3.
K.
Simons
and
D.
Toomre
,
Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
1
,
31
(
2000
).
4.
A.
Kusumi
and
K.
Suzuki
,
Biochim. Biophys. Act.-, Mol. Cell Res.
1746
,
234
(
2005
).
5.
B. K.
Ganser
,
S.
Li
,
V. Y.
Klishko
,
J. T.
Finch
, and
W. I.
Sundquist
,
Science
283
,
80
(
1999
).
7.
V.
Tozzini
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
15
,
144
(
2005
).
8.
G. S.
Ayton
,
W. G.
Noid
, and
G. A.
Voth
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
17
,
192
(
2007
).
9.
C.
Clementi
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
18
,
10
(
2008
).
11.
M.
Venturoli
,
M. M.
Sperotto
,
M.
Kranenburg
, and
B.
Smit
,
Phys. Rep.
437
,
1
(
2006
).
12.
A. P.
Lyubartsev
and
A.
Laaksonen
,
Phys. Rev. E
52
,
3730
(
1995
).
13.
A. P.
Lyubartsev
and
A.
Laaksonen
,
Phys. Rev. E
55
,
5689
(
1997
).
14.
A. P.
Lyubartsev
,
Eur. Biophys. J.
35
,
53
(
2005
).
15.
S.
Garde
and
H. S.
Ashbaugh
,
J. Chem. Phys.
115
,
977
(
2001
).
16.
M. E.
Johnson
,
T.
Head-Gordon
, and
A. A.
Louis
,
J. Chem. Phys.
126
,
144509
(
2007
).
17.
D.
Reith
,
M.
Pütz
, and
F.
Müller-Plathe
,
J. Comput. Chem.
24
,
1624
(
2003
).
18.
H. -J.
Qian
,
P.
Carbone
,
X.
Chen
,
H. A.
Karimi-Varzaneh
,
C. C.
Liew
, and
F.
Müller-Plathe
,
Macromolecules
41
,
9919
(
2008
).
19.
P.
Carbone
,
H. A. K.
Varzaneh
,
X.
Chen
, and
F.
Müller-Plathe
,
J. Chem. Phys.
128
,
064904
(
2008
).
20.
T.
Vettorel
and
H.
Meyer
,
J. Chem. Theory Comput.
2
,
616
(
2006
).
21.
J.
Ghosh
and
R.
Faller
,
Mol. Simul.
33
,
759
(
2007
).
22.
G.
Milano
and
F.
Müller-Plathe
,
J. Phys. Chem. B
109
,
18609
(
2005
).
23.
J.
Silbermann
,
S. H. L.
Klapp
,
M.
Shoen
,
N.
Channamsetty
,
H.
Block
, and
K. E.
Gubbins
,
J. Chem. Phys.
124
,
074105
(
2006
).
24.
M. S.
Shell
,
J. Chem. Phys.
129
,
144108
(
2008
).
25.
M.
Praprotnik
,
C.
Junghans
,
L.
Delle Site
, and
K.
Kremer
,
Comput. Phys. Commun.
179
,
51
(
2008
).
26.
M.
Praprotnik
,
L.
Delle Site
, and
K.
Kremer
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
59
,
545
(
2008
).
27.
N. F. A.
van der Vegt
,
C.
Peter
, and
K.
Kremer
, in
Coarse-Graining of Condensed Phase and Biomolecular Systems
, edited by
G. A.
Voth
(
Chapman and Hall/CRC, Taylor and Francis Group
,
Boca Raton, FL
,
2007
).
28.
S.
Izvekov
and
G. A.
Voth
,
J. Phys. Chem. B
109
,
2469
(
2005
).
29.
S.
Izvekov
and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Phys.
123
,
134105
(
2005
).
30.
F.
Ercolessi
and
J. B.
Adams
,
Europhys. Lett.
26
,
583
(
1994
).
31.
S.
Izvekov
,
M.
Parrinello
,
C. J.
Burnham
, and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Phys.
120
,
10896
(
2004
).
32.
J.
Zhou
,
I. F.
Thorpe
,
S.
Izvekov
, and
G. A.
Voth
,
Biophys. J.
92
,
4289
(
2007
).
33.
Q.
Shi
,
S.
Izvekov
, and
G. A.
Voth
,
J. Phys. Chem. B
110
,
15045
(
2006
).
34.
Y. T.
Wang
,
S.
Izvekov
,
T. Y.
Yan
, and
G. A.
Voth
,
J. Phys. Chem. B
110
,
3564
(
2006
).
35.
S.
Izvekov
,
A.
Violi
, and
G. A.
Voth
,
J. Phys. Chem. B
109
,
17019
(
2005
).
36.
S.
Izvekov
and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Phys.
125
,
151101
(
2006
).
37.
S.
Iuchi
,
S.
Izvekov
, and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Phys.
126
,
124505
(
2007
).
38.
S.
Izvekov
and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Theory Comput.
2
,
637
(
2006
).
39.
P.
Liu
,
S.
Izvekov
, and
G. A.
Voth
,
J. Phys. Chem. B
111
,
11566
(
2007
).
40.
W. G.
Noid
,
J. -W.
Chu
,
G. S.
Ayton
, and
G. A.
Voth
,
J. Phys. Chem. B
111
,
4116
(
2007
).
41.
W. G.
Noid
,
J. -W.
Chu
,
G. S.
Ayton
,
V.
Krishna
,
S.
Izvekov
,
G. A.
Voth
,
A.
Das
, and
H. C.
Andersen
,
J. Chem. Phys.
128
,
244114
(
2008
).
42.
W. G.
Noid
,
P.
Liu
,
Y. T.
Wang
,
J. -W.
Chu
,
G. S.
Ayton
,
S.
Izvekov
,
H. C.
Andersen
, and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Phys.
128
,
244115
(
2008
).
43.
Y.
Wang
,
W. G.
Noid
,
P.
Liu
, and
G. A.
Voth
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
11
,
2002
(
2009
).
44.
V.
Krishna
,
W. G.
Noid
, and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Phys.
131
,
024103
(
2009
).
45.
J.
Fischer
,
D.
Paschek
,
A.
Gieger
, and
G.
Sadowski
,
J. Phys. Chem. B
112
,
13561
(
2008
).
46.
A. A.
Louis
,
J. Phys.: Condens. Matter
14
,
9187
(
2002
).
47.
J. C.
Shelley
,
M. Y.
Shelley
,
R. C.
Reeder
,
S.
Bandyopadhyay
, and
M. L.
Klein
,
J. Phys. Chem. B
105
,
4464
(
2001
).
48.
S. O.
Nielsen
,
C. F.
Lopez
,
G.
Srinivas
, and
M. L.
Klein
,
J. Chem. Phys.
119
,
7043
(
2003
).
49.
W.
Shinoda
,
R.
Devane
, and
M. L.
Klein
,
Mol. Simul.
33
,
27
(
2007
).
50.
S. J.
Marrink
,
A. H.
de Vries
, and
A. E.
Mark
,
J. Phys. Chem. B
108
,
750
(
2004
).
51.
S. J.
Marrink
,
H. J.
Risselada
,
S.
Yefimov
,
D. P.
Tieleman
, and
A. H.
de Vries
,
J. Phys. Chem. B
111
,
7812
(
2007
).
52.
L.
Monticelli
,
S. K.
Kandasamy
,
X.
Periole
,
R. G.
Larson
,
D. P.
Tieleman
, and
S. -J.
Marrink
,
J. Chem. Theory Comput.
4
,
819
(
2008
).
53.
B. M.
Mognetti
,
M.
Oettel
,
L.
Yelash
,
P.
Virnau
,
W.
Paul
, and
K.
Binder
,
Phys. Rev. E
77
,
041506
(
2008
).
54.
B. M.
Mognetti
,
L.
Yelash
,
P.
Virnau
,
W.
Paul
,
K.
Binder
,
M.
Müller
, and
L. G.
MacDowell
,
J. Chem. Phys.
128
,
104501
(
2008
).
55.
B. M.
Mognetti
,
P.
Virnau
,
L.
Yelash
,
W.
Paul
,
K.
Binder
,
M.
Müller
, and
L. G.
MacDowell
,
J. Chem. Phys.
130
,
044101
(
2009
).
56.
E. C.
Allen
and
G. C.
Rutledge
,
J. Chem. Phys.
128
,
154115
(
2008
).
57.
E. C.
Allen
and
G. C.
Rutledge
,
J. Chem. Phys.
130
,
034904
(
2009
).
58.
B. A.
Berg
and
T.
Neuhaus
,
Phys. Rev. Lett.
68
,
9
(
1992
).
59.
E.
Marinari
and
G.
Parisi
,
Europhys. Lett.
19
,
451
(
1992
).
60.
A. P.
Lyubartsev
,
A. A.
Martsinovski
,
S. V.
Shevkunov
, and
P. N.
Vorontsov-Velyaminov
,
J. Chem. Phys.
96
,
1776
(
1992
).
61.
R. H.
Swendsen
and
J. -S.
Wang
,
Phys. Rev. Lett.
57
,
2607
(
1986
).
62.
K.
Hukushima
and
K.
Nemoto
,
J. Phys. Soc. Jpn.
65
,
1604
(
1996
).
63.
U. H. E.
Hansmann
,
Chem. Phys. Lett.
281
,
140
(
1997
).
64.
Y.
Sugita
and
Y.
Okamoto
,
Chem. Phys. Lett.
314
,
141
(
1999
).
65.
Q.
Yan
and
J. J.
de Pablo
,
J. Chem. Phys.
111
,
9509
(
1999
).
66.
Q.
Yan
and
J. J.
de Pablo
,
J. Chem. Phys.
113
,
1276
(
2000
).
67.
S. F.
Edwards
and
P. W.
Anderson
,
J. Phys F: Met. Phys.
5
,
965
(
1975
).
68.
B.
Derrida
,
Phys. Rev. Lett.
45
,
79
(
1980
).
69.
T. L.
Hill
,
An Introduction to Statistical Thermodynamics
(
Dover
,
New York
,
1987
).
70.
A. J.
Chorin
,
Multiscale, Model. Simul. (Anaheim)
1
,
105
(
2003
).
71.
A. J.
Chorin
and
O. H.
Hald
,
Stochastic Tools in Mathematics and Science
(
Springer
,
New York
,
2006
).
72.
See EPAPS supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.3220627 for additional computational details and results.
73.
E.
Lindahl
,
B.
Hess
, and
D.
van der Spoel
,
J. Mol. Model.
7
,
306
(
2001
).
74.
D.
van der Spoel
,
E.
Lindahl
,
B.
Hess
,
G.
Groenhof
,
A. E.
Mark
, and
H. J. C.
Berendsen
,
J. Comput. Chem.
26
,
1701
(
2005
).
75.
T.
Darden
,
D.
York
, and
L.
Pedersen
,
J. Chem. Phys.
99
,
8345
(
1993
).
77.
W. G.
Hoover
,
Phys. Rev. A
31
,
1695
(
1985
).
78.
W. L.
Jorgensen
,
D. S.
Maxwell
, and
J.
Tirado-Rives
,
J. Am. Chem. Soc.
118
,
11225
(
1996
).
79.
D.
van der Spoel
,
E.
Lindahl
,
B.
Hess
,
A. R.
van Buuren
,
E.
Apol
,
P. J.
Meulenhoff
,
D. P.
Tieleman
,
A. L. T. M.
Sijbers
,
K. A.
Feenstra
,
R.
van Drunen
, and
H. J. C.
Berendsen
,
Gromacs User Manual Version 3.3
, www.gromacs.org (
2005
).
80.
E.
Anderson
,
Z.
Bai
,
C.
Bischof
,
S.
Blackford
,
J.
Demmel
,
J.
Dongarra
,
J. D.
Croz
,
A.
Greenbaum
,
S.
Hammarling
,
A.
McKenney
, and
D.
Sorensen
,
LAPACK Users’ Guide
(
SIAM
,
Philadelphia, PA
,
1999
).
81.
W. H.
Press
,
S. A.
Teukolsky
,
W. T.
Vetterling
, and
B. P.
Flannery
,
Numerical Recipes in FORTRAN: The art of scientific computing
(
Cambridge University Press
,
Cambridge
,
1992
).
82.
J. W.
Demmel
,
Applied Numerical Linear Algebra
(
SIAM
,
Philadelphia, PA
,
1997
).
83.
R. L.
Henderson
,
Phys. Lett. A
49
,
197
(
1974
).
84.
J. T.
Chayes
,
L.
Chayes
, and
E. H.
Lieb
,
Comp. Math. Phys.
93
,
57
(
1984
).
85.
J. T.
Chayes
and
L.
Chayes
,
J. Stat. Phys.
36
,
471
(
1984
).
86.
A. E.
Ismail
,
G. C.
Rutledge
, and
G.
Stephanopoulos
,
J. Chem. Phys.
122
,
234901
(
2005
).
87.
A. E.
Ismail
,
G.
Stephanopoulos
, and
G. C.
Rutledge
,
J. Chem. Phys.
122
,
234902
(
2005
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.