We introduce an extended version of oxDNA, a coarse-grained model of deoxyribonucleic acid (DNA) designed to capture the thermodynamic, structural, and mechanical properties of single- and double-stranded DNA. By including explicit major and minor grooves and by slightly modifying the coaxial stacking and backbone-backbone interactions, we improve the ability of the model to treat large (kilobase-pair) structures, such as DNA origami, which are sensitive to these geometric features. Further, we extend the model, which was previously parameterised to just one salt concentration ([Na+] = 0.5M), so that it can be used for a range of salt concentrations including those corresponding to physiological conditions. Finally, we use new experimental data to parameterise the oxDNA potential so that consecutive adenine bases stack with a different strength to consecutive thymine bases, a feature which allows a more accurate treatment of systems where the flexibility of single-stranded regions is important. We illustrate the new possibilities opened up by the updated model, oxDNA2, by presenting results from simulations of the structure of large DNA objects and by using the model to investigate some salt-dependent properties of DNA.

1.
J.
Zheng
,
J. J.
Birktoft
,
Y.
Chen
,
T.
Wang
,
R.
Sha
,
P. E.
Constantinou
,
S. L.
Ginell
,
C.
Mao
, and
N. C.
Seeman
,
Nature
461
,
74
(
2009
).
2.
H.
Dietz
,
S. M.
Douglas
, and
W. M.
Shih
,
Science
325
,
725
(
2009
).
3.
D.
Han
,
S.
Pal
,
Y.
Yang
,
S.
Jiang
,
J.
Nangreave
,
Y.
Liu
, and
H.
Yan
,
Science
339
,
1412
(
2013
).
4.
Y.
Ke
,
L. L.
Ong
,
W. M.
Shih
, and
P.
Yin
,
Science
338
,
1177
(
2012
).
5.
H. K. K.
Subramanian
,
B.
Chakraborty
,
R.
Sha
, and
N. C.
Seeman
,
Nano Lett.
11
,
910
(
2011
).
6.
A. S.
Walsh
,
H.
Yin
,
C. M.
Erben
,
M. J. A.
Wood
, and
A. J.
Turberfield
,
ACS Nano
5
,
5427
(
2011
).
7.
S. M.
Douglas
,
I.
Bachelet
, and
G. M.
Church
,
Science
335
,
831
(
2012
).
8.
A.
Kuzyk
,
R.
Schreiber
,
Z.
Fan
,
G.
Pardatscher
,
E.-M.
Roller
,
A.
Hogele
,
F. C.
Simmel
,
A. O.
Govorov
, and
T.
Liedl
,
Nature
483
,
311
(
2012
).
9.
R. M.
Zadegan
,
M. D. E.
Jepsen
,
K. E.
Thomsen
,
A. H.
Okholm
,
D. H.
Schaffert
,
E. S.
Andersen
,
V.
Birkedal
, and
J.
Kjems
,
ACS Nano
6
,
10050
(
2012
).
10.
A. V.
Pinheiro
,
D.
Han
,
W. M.
Shih
, and
H.
Yan
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
763
(
2011
).
11.
D.
Svozil
,
P.
Hobza
, and
J.
Šponer
,
J. Phys. Chem. B
114
,
1191
(
2010
).
12.
A.
Mladek
,
M.
Krepl
,
D.
Svozil
,
P.
Cech
,
M.
Otyepka
,
P.
Banas
,
M.
Zgarbova
,
P.
Jurecka
, and
J.
Šponer
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
7295
(
2013
).
13.
J.
Šponer
,
J. E.
Šponer
,
A.
Mldek
,
P.
Ban
,
P.
Jureka
, and
M.
Otyepka
,
Methods
64
,
3
(
2013
).
14.
C. A.
Laughton
and
S. A.
Harris
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
1
,
590
(
2011
).
15.
A.
Pérez
,
F. J.
Luque
, and
M.
Orozco
,
Acc. Chem. Res.
45
,
196
(
2012
).
16.
C.
Maffeo
,
B.
Luan
, and
A.
Aksimentiev
,
Nucleic Acids Res.
40
,
3812
(
2012
).
17.
J.
Yoo
and
A.
Aksimentiev
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
110
,
20099
(
2013
).
18.
C.
Maffeo
,
J.
Yoo
,
J.
Comer
,
D. B.
Wells
,
B.
Luan
, and
A.
Aksimentiev
,
J. Phys.: Condens. Matter
26
,
413101
(
2014
).
19.
C.
Bustamante
,
J. F.
Marko
,
E. D.
Siggia
, and
S.
Smith
,
Science
265
,
1599
(
1994
).
20.
D. M.
Hinckley
,
G. S.
Freeman
,
J. K.
Whitmer
, and
J. J.
de Pablo
,
J. Chem. Phys.
139
,
144903
(
2013
).
21.
A.
Savelyev
and
G. A.
Papoian
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
107
,
20340
(
2010
).
22.
T.
Cragnolini
,
P.
Derreumaux
, and
S.
Pasquali
,
J. Phys. Chem. B
117
,
8047
(
2013
).
23.
Y.
He
,
M.
Maciejczyk
,
S.
Ołdziej
,
H. A.
Scheraga
, and
A.
Liwo
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
098101
(
2013
).
24.
M. C.
Linak
,
R.
Tourdot
, and
K. D.
Dorfman
,
J. Chem. Phys.
135
,
205102
(
2011
).
25.
A.
Morriss-Andrews
,
J.
Rottler
, and
S. S.
Plotkin
,
J. Chem. Phys.
132
,
035105
(
2010
).
26.
J. C.
Araque
,
A. Z.
Panagiotopoulos
, and
M. A.
Robert
,
J. Chem. Phys.
134
,
165103
(
2011
).
27.
N.
Korolev
,
D.
Luo
,
A. P.
Lyubartsev
, and
L.
Nordenskiöld
,
Polymers
6
,
1655
(
2014
).
28.
C.
Maffeo
,
T. T. M.
Ngo
,
T.
Ha
, and
A.
Aksimentiev
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
2891
(
2014
).
29.
O.
Gonzalez
,
D.
Petkevičiūtė
, and
J.
Maddocks
,
J. Chem. Phys.
138
,
055102
(
2013
).
30.
T. E.
Ouldridge
,
A. A.
Louis
, and
J.
Doye
,
J. Chem. Phys.
134
,
085101
(
2011
).
31.
T. E.
Ouldridge
, Ph.D. thesis,
University of Oxford
,
2011
.
32.
T. E.
Ouldridge
,
A. A.
Louis
, and
J. P. K.
Doye
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
178101
(
2010
).
33.
P.
Šulc
,
T. E.
Ouldridge
,
F.
Romano
,
J. P. K.
Doye
, and
A. A.
Louis
,
Nat. Comput.
13
,
535
(
2014
).
34.
T. E.
Ouldridge
,
P.
Šulc
,
F.
Romano
,
J. P. K.
Doye
, and
A. A.
Louis
,
Nucleic Acids Res.
41
,
8886
(
2013
).
35.
T. E.
Ouldridge
,
R. L.
Hoare
,
A. A.
Louis
,
J. P. K.
Doye
,
J.
Bath
, and
A. J.
Turberfield
,
ACS Nano
7
,
2479
(
2013
).
36.
L.
Rovigatti
,
F.
Smallenburg
,
F.
Romano
, and
F.
Sciortino
,
ACS Nano
8
,
3567
(
2014
).
37.
J. S.
Schreck
,
T. E.
Ouldridge
,
F.
Romano
,
A. A.
Louis
, and
J. P. K.
Doye
,
J. Chem. Phys.
142
,
165101
(
2015
).
38.
J. S.
Schreck
,
T. E.
Ouldridge
,
F.
Romano
,
P.
Šulc
,
L.
Shaw
,
A. A.
Louis
, and
J. P. K.
Doye
, “
DNA hairpins primarily promote duplex melting rather than inhibiting hybridization
,”
Nucleic Acids Res.
(in press); e-print arXiv:1408.4401.
39.
N.
Srinivas
,
T. E.
Ouldridge
,
P.
Šulc
,
J. M.
Schaeffer
,
B.
Yurke
,
A. A.
Louis
,
J. P. K.
Doye
, and
E.
Winfree
,
Nucleic Acids Res.
41
,
10641
(
2013
).
40.
M.
Mosayebi
,
A. A.
Louis
,
J. P. K.
Doye
, and
T. E.
Ouldridge
, “
Force-induced rupture of a DNA duplex
,” preprint arXiv:1502.03623 (
2015
).
41.
C.
Matek
,
T. E.
Ouldridge
,
A.
Levy
,
J. P. K.
Doye
, and
A. A.
Louis
,
J. Phys. Chem. B
116
,
11616
(
2012
).
42.
Q.
Wang
and
B. M.
Pettitt
,
Biophys. J.
106
,
1182
(
2014
).
43.
C.
Matek
,
T. E.
Ouldridge
,
J. P. K.
Doye
, and
A. A.
Louis
,
Sci. Rep.
5
,
7655
(
2015
).
44.
M.
Mosayebi
,
F.
Romano
,
T. E.
Ouldridge
,
A. A.
Louis
, and
J. P. K.
Doye
,
J. Phys. Chem. B
118
,
14326
(
2014
).
45.
F.
Romano
,
D.
Chakraborty
,
J. P. K.
Doye
,
T. E.
Ouldridge
, and
A. A.
Louis
,
J. Chem. Phys.
138
,
085101
(
2013
).
46.
R. R. F.
Machinek
,
T. E.
Ouldridge
,
N. E. C.
Haley
,
J.
Bath
, and
A. J.
Turberfield
,
Nat. Commun.
5
,
5324
(
2014
).
47.
A.
Bosco
,
J.
Camunas-Soler
, and
F.
Ritort
,
Nucleic Acids Res.
42
,
2064
(
2013
).
48.
M. E.
Polinkovsky
,
Y.
Gambin
,
P. R.
Banerjee
,
M. J.
Erickstad
,
A.
Groisman
, and
A. A.
Deniz
,
Nat. Commun.
5
,
5737
(
2014
).
49.
J.
SantaLucia
, Jr.
and
D.
Hicks
,
Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct.
33
,
415
(
2004
).
50.
W. H.
Taylor
and
P. J.
Hagerman
,
J. Mol. Biol.
212
,
363
(
1990
).
51.
F.
Mocci
and
A.
Laaksonen
,
Soft Matter
8
,
9268
(
2012
).
52.
D. A.
Potoyan
,
A.
Savelyev
, and
G. A.
Papoian
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
3
,
69
(
2013
).
53.
D.
Shore
and
R. L.
Baldwin
,
J. Mol. Biol.
170
,
983
(
1983
).
54.
A.
Dawid
,
F.
Guillemot
,
C.
Brème
,
V.
Croquette
, and
F.
Heslot
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
188102
(
2006
).
55.
S.
Ido
,
K.
Kimura
,
N.
Oyabu
,
K.
Kobayashi
,
M.
Tsukada
,
K.
Matsushige
, and
H.
Yamada
,
ACS Nano
7
,
1817
(
2013
).
56.
Q.
Du
,
C.
Smith
,
N.
Shiffeldrim
,
M.
Vologodskaia
, and
A.
Vologodskii
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
102
,
5397
(
2005
).
57.
J. C.
Wang
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
76
,
200
(
1979
).
58.
T.
Kato
,
R. P.
Goodman
,
C. M.
Erben
,
A. J.
Turberfield
, and
K.
Namba
,
Nano Lett.
9
,
2747
(
2009
).
59.
X.-C.
Bai
,
T. G.
Martin
,
S. H. W.
Scheres
, and
H.
Dietz
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
,
20012
(
2012
).
60.
P.
Šulc
,
F.
Romano
,
T. E.
Ouldridge
,
L.
Rovigatti
,
J. P. K.
Doye
, and
A. A.
Louis
,
J. Chem. Phys.
137
,
135101
(
2012
).
61.
F. F.
Andersen
,
B.
Knudsen
,
C. L. P.
Oliveira
,
R. F.
Frohlich
,
D.
Kruger
,
J.
Bungert
,
M.
Agbandje-McKenna
,
R.
McKenna
,
S.
Juul
,
C.
Veigaard
,
J.
Koch
,
J. L.
Rubinstein
,
B.
Guldbrandtsen
,
M. S.
Hede
,
G.
Karlsson
,
A. H.
Andersen
,
J. S.
Pedersen
, and
B. R.
Knudsen
,
Nucleic Acids Res.
36
,
1113
(
2008
).
62.
C.
Tian
,
C.
Zhang
,
X.
Li
,
C.
Hao
,
S.
Ye
, and
C.
Mao
,
Langmuir
30
,
5859
(
2013
).
63.
S. M.
Douglas
,
H.
Dietz
,
T.
Liedl
,
B.
Högberg
,
F.
Graf
, and
W. M.
Shih
,
Nature
459
,
414
(
2009
).
64.
P.
Šulc
,
F.
Romano
,
T. E.
Ouldridge
,
J. P. K.
Doye
, and
A. A.
Louis
,
J. Chem. Phys.
140
,
235102
(
2014
).
65.
C.
Zhang
,
W.
Wu
,
X.
Li
,
C.
Tian
,
H.
Qian
,
G.
Wang
,
W.
Jiang
, and
C.
Mao
,
Angew. Chem., Int. Ed.
51
,
7999
(
2012
).
66.
D. M.
Hinckley
,
J. P.
Lequieu
, and
J. J.
de Pablo
,
J. Chem. Phys.
141
,
035102
(
2014
).
67.
C.
Maffeo
,
R.
Schöpflin
,
H.
Brutzer
,
R.
Stehr
,
A.
Aksimentiev
,
G.
Wedemann
, and
R.
Seidel
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
158101
(
2010
).
68.
J.
Mazur
and
R. L.
Jernigan
,
Biopolymers
31
,
1615
(
1991
).
69.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4921957 for further details of methods and results.
70.
D.
Frenkel
and
B.
Smit
,
Understanding Molecular Simulation: From Algorithms to Applications
(
Academic Press
,
1996
).
71.
C.
Vega
,
E.
Sanz
,
J.
Abascal
, and
E.
Noya
,
J. Phys.: Condens. Matter
20
,
153101
(
2008
).
72.
T. E.
Ouldridge
,
A. A.
Louis
, and
J. P. K.
Doye
,
J. Phys.: Condens. Matter
22
,
104102
(
2010
).
73.
T.
Uzawa
,
T.
Isoshima
,
Y.
Ito
,
K.
Ishimori
,
D. E.
Makarov
, and
K. W.
Plaxco
,
Biophys. J.
104
,
2485
(
2013
).
74.
N. L.
Goddard
,
G.
Bonnet
,
O.
Krichevsky
, and
A.
Libchaber
,
Phys. Rev. Lett.
85
,
2400
(
2000
).
75.
G.
Bonnet
,
O.
Krichevsky
, and
A.
Libchaber
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
95
,
8602
(
1998
).
76.
S.
Whitelam
,
E. H.
Feng
,
M. F.
Hagan
, and
P. L.
Geissler
,
Soft Matter
5
,
1251
(
2009
).
77.
S.
Kumar
,
J. M.
Rosenberg
,
D.
Bouzida
,
R. H.
Swendsen
, and
P. A.
Kollman
,
J. Comput. Chem.
13
,
1011
(
1992
).
78.
J. D.
Moroz
and
P.
Nelson
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
94
,
14418
(
1997
).
79.
A.
Savelyev
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
14
,
2250
(
2012
).
80.
E.
Herrero-Galn
,
M. E.
Fuentes-Perez
,
C.
Carrasco
,
J. M.
Valpuesta
,
J. L.
Carrascosa
,
F.
Moreno-Herrero
, and
J. R.
Arias-Gonzalez
,
J. Am. Chem. Soc.
135
,
122
(
2013
).
81.
X. J. A.
Janssen
,
J.
Lipfert
,
T.
Jager
,
R.
Daudey
,
J.
Beekman
, and
N. H.
Dekker
,
Nano Lett.
12
,
3634
(
2012
).
82.
Z.
Bryant
,
M. D.
Stone
,
J.
Gore
,
S. B.
Smith
,
N. R.
Cozzarelli
, and
C.
Bustamante
,
Nature
424
,
338
(
2003
).
83.
A. Y. L.
Sim
,
J.
Lipfert
,
D.
Herschlag
, and
S.
Doniach
,
Phys. Rev. E
86
,
021901
(
2012
).
84.
C.
Zhang
,
Y.
He
,
M.
Su
,
S. H.
Ko
,
T.
Ye
,
Y.
Leng
,
X.
Sun
,
A. E.
Ribbe
,
W.
Jiang
, and
C.
Mao
,
Faraday Discuss.
143
,
221
(
2009
).
85.
L.
Rovigatti
,
P.
Šulc
,
I. Z.
Reguly
, and
F.
Romano
,
J. Comput. Chem.
36
,
1
(
2015
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.