Here, we examine a well-characterized model system of phospholipids in cyclohexane via molecular dynamics simulations using a force field known for reproducing both phospholipid behavior in water and cyclohexane bulk properties to a high accuracy, CHARMM36, with the aim of evaluating the transferability of a force field parametrization from an aqueous environment to an organic solvent. We compare the resulting reverse micelles with their expected experimental shape and size, and find the model struggles with reproducing basic, experimentally known reverse micellar structural characteristics for common phosphadidylcholine lipids such as 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholine (DPPC), 1,2-dioleyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholine (DOPC), and 1,2-dilinoleyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholine (DLPC) in cyclohexane solvent. We find evidence that the deviation from the experimental behavior originates from an underestimation of the lipid tail-cyclohexane interaction in the model. We compensate for this, obtain reverse micellar structures within the experimentally expected range, and characterize these structurally in molecular detail. Our findings indicate extra caution and verification of model applicability is warranted in simulational studies employing standard biomolecular models outside the usual aqueous environment.

1.
M.
Paloncýová
,
G.
Fabre
,
R. H.
DeVane
,
P.
Trouillas
,
K.
Berka
, and
M.
Otyepka
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
4143
(
2014
).
2.
A. L.
Rabinovich
and
A. P.
Lyubartsev
,
Polym. Sci., Ser. C
55
,
162
(
2013
).
3.
A. P.
Lyubartsev
and
A. L.
Rabinovich
,
Soft Matter
7
,
25
(
2011
).
4.
T. J.
Piggot
,
A.
Pineiro
, and
S.
Khalid
,
J. Chem. Theory Comput.
8
,
4593
(
2012
).
5.
R.
Angelico
,
G.
Palazzo
,
G.
Colafemmina
,
P. A.
Cirkel
,
M.
Giustini
, and
A.
Ceglie
,
J. Phys. Chem. B
102
,
2883
(
1998
).
6.
R.
Angelico
,
A.
Ceglie
,
U.
Olsson
, and
G.
Palazzo
,
Langmuir
16
,
2124
(
2000
).
7.
P.
Schurtenberger
,
L. J.
Magid
,
S. M.
King
, and
P.
Lindner
,
J. Phys. Chem.
95
,
4173
(
1991
).
8.
P.
Schurtenberger
and
C.
Cavaco
,
Langmuir
10
,
100
(
1994
).
9.
P.
Schurtenberger
,
G.
Jerke
,
C.
Cavaco
, and
J. S.
Pedersen
,
Langmuir
12
,
2433
(
1996
).
10.
D.
Capitani
,
A. L.
Segre
,
F.
Dreher
,
P.
Walde
, and
P. L.
Luisi
,
J. Phys. Chem.
100
,
15211
(
1996
).
11.
R.
Scartazzini
and
P. L.
Luisi
,
J. Phys. Chem.
92
,
829
(
1988
).
12.
Z.
Shervani
,
T.
Jain
, and
A.
Maitra
,
Colloid Polym. Sci.
269
,
720
(
1991
).
13.
H.-Y.
Lee
,
K. K.
Diehn
,
S. W.
Ko
,
S.-H.
Tung
, and
S. R.
Raghavan
,
Langmuir
26
,
13831
(
2010
).
14.
G.
Palazzo
,
Soft Matter
9
,
10668
(
2013
).
15.
S.
Salaniwal
,
S. T.
Cui
,
P. T.
Cummings
, and
H. D.
Cochran
,
Langmuir
15
,
5188
(
1999
).
16.
S.
Salaniwal
,
S.
Cui
,
H. D.
Cochran
, and
P. T.
Cummings
,
Ind. Eng. Chem. Res.
39
,
4543
(
2000
).
17.
S.
Senapati
and
M. L.
Berkowitz
,
J. Chem. Phys.
118
,
1937
(
2003
).
18.
S.
Senapati
and
M. L.
Berkowitz
,
J. Phys. Chem. B
107
,
12906
(
2003
).
19.
S.
Senapati
and
M. L.
Berkowitz
,
J. Phys. Chem. A
108
,
9768
(
2004
).
20.
W.
Lu
,
J.
Kim
,
W.
Qiu
, and
D.
Zhong
,
Chem. Phys. Lett.
388
,
120
(
2004
).
21.
A. V.
Nevidimov
and
V. F.
Razumov
,
Mol. Phys.
107
,
2169
(
2009
).
22.
A. V.
Martinez
,
L.
Dominguez
,
E.
Małolepsza
,
A.
Moser
,
Z.
Ziegler
, and
J. E.
Straub
,
J. Phys. Chem. B
117
,
7345
(
2013
).
23.
S.
Abel
,
F.
Sterpone
,
S.
Bandyopadhyay
, and
M.
Marchi
,
J. Phys. Chem. B
108
,
19458
(
2004
).
24.
S.
Abel
,
M.
Waks
,
M.
Marchi
, and
W.
Urbach
,
Langmuir
22
,
9112
(
2006
).
25.
J.
Tian
and
A. E.
García
,
J. Chem. Phys.
134
,
225101
(
2011
).
26.
M. H. H.
Pomata
,
D.
Laria
,
M. S.
Skaf
, and
M. D.
Elola
,
J. Chem. Phys.
129
,
244503
(
2008
).
27.
J.
Chowdhary
and
B. M.
Ladanyi
,
J. Phys. Chem. B
113
,
15029
(
2009
).
28.
G.
Mudzhikova
and
E.
Brodskaya
,
Colloid J.
68
,
738
(
2006
).
29.
E. N.
Brodskaya
and
G. V.
Mudzhikova
,
Mol. Phys.
104
,
3635
(
2006
).
30.
G.
Mudzhikova
and
E.
Brodskaya
,
Colloid J.
68
,
729
(
2006
).
31.
V. R.
Vasquez
,
B. C.
Williams
, and
O. A.
Graeve
,
J. Phys. Chem. B
115
,
2979
(
2011
).
32.
S.
Abel
,
M.
Waks
,
W.
Urbach
, and
M.
Marchi
,
J. Am. Chem. Soc.
128
,
382
(
2006
).
33.
B.
Qiao
,
T.
Demars
,
M.
Olvera de la Cruz
, and
R. J.
Ellis
,
J. Phys. Chem. Lett.
5
,
1440
(
2014
).
34.
B.
Hess
,
C.
Kutzner
,
D.
van der Spoel
, and
E.
Lindahl
,
J. Chem. Theory Comput.
4
,
435
(
2008
).
35.
S.
Pronk
,
S.
Pall
,
R.
Schulz
,
P.
Larsson
,
P.
Bjelkmar
,
R.
Apostolov
,
M. R.
Shirts
,
J. C.
Smith
,
P. M.
Kasson
,
D.
van der Spoel
,
B.
Hess
, and
E.
Lindahl
,
Bioinformatics
29
,
845
(
2013
).
36.
A. D.
MacKerell
,
D.
Bashford
,
M.
Bellott
,
R. L.
Dunbrack
,
J. D.
Evanseck
,
M. J.
Field
,
S.
Fischer
,
J.
Gao
,
H.
Guo
,
S.
Ha
,
D.
Joseph-McCarthy
,
L.
Kuchnir
,
K.
Kuczera
,
F. T. K.
Lau
,
C.
Mattos
,
S.
Michnick
,
T.
Ngo
,
D. T.
Nguyen
,
B.
Prodhom
,
W. E.
Reiher
,
B.
Roux
,
M.
Schlenkrich
,
J. C.
Smith
,
R.
Stote
,
J.
Straub
,
M.
Watanabe
,
J.
Wiórkiewicz-Kuczera
,
D.
Yin
, and
M.
Karplus
,
J. Phys. Chem. B
102
,
3586
(
1998
).
37.
J. B.
Klauda
,
R. M.
Venable
,
J. A.
Freites
,
J. W.
O’Connor
,
D. J.
Tobias
,
C.
Mondragon-Ramirez
,
I.
Vorobyov
,
A. D.
MacKerell
, and
R. W.
Pastor
,
J. Phys. Chem. B
114
,
7830
(
2010
).
38.
O.
Guvench
,
S. N.
Greene
,
G.
Kamath
,
J. W.
Brady
,
R. M.
Venable
,
R. W.
Pastor
, and
A. D.
Mackerell
,
J. Comput. Chem.
29
,
2543
(
2008
).
39.
W. L.
Jorgensen
,
J.
Chandrasekhar
,
J. D.
Madura
,
R. W.
Impey
, and
M. L.
Klein
,
J. Chem. Phys.
79
,
926
(
1983
).
40.
U.
Essmann
,
L.
Perera
,
M. L.
Berkowitz
,
T.
Darden
,
H.
Lee
, and
L. G.
Pedersen
,
J. Chem. Phys.
103
,
8577
(
1995
).
41.
B.
Hess
,
H.
Bekker
,
H. J. C.
Berendsen
, and
J. G. E. M.
Fraaije
,
J. Comput. Chem.
18
,
1463
(
1997
).
42.
S.
Miyamoto
and
P. A.
Kollman
,
J. Comput. Chem.
13
,
952
(
1992
).
43.
G.
Bussi
,
D.
Donadio
, and
M.
Parrinello
,
J. Chem. Phys.
126
,
7
(
2007
).
44.
M.
Parrinello
and
A.
Rahman
,
J. Appl. Phys.
52
,
7182
(
1981
).
45.
D. M.
Willard
,
R. E.
Riter
, and
N. E.
Levinger
,
J. Am. Chem. Soc.
120
,
4151
(
1998
).
46.
L.
Martinez
,
R.
Andrade
,
E. G.
Birgin
, and
J. M.
Martinez
,
J. Comput. Chem.
30
,
2157
(
2009
).
47.
I.
Vorobyov
,
V. M.
Anisimov
,
S.
Greene
,
R. M.
Venable
,
A.
Moser
,
R. W.
Pastor
, and
A. D.
MacKerell
,
J. Chem. Theory Comput.
3
,
1120
(
2007
).
48.
D.
Yin
and
A. D.
MacKerell
,
J. Comput. Chem.
19
,
334
(
1998
).
49.
W.
Humphrey
,
A.
Dalke
, and
K.
Schulten
,
J. Mol. Graphics
14
,
33
(
1996
).
50.
W. L.
Jorgensen
,
D. S.
Maxwell
, and
J.
Tirado-Rives
,
J. Am. Chem. Soc.
118
,
11225
(
1996
).
51.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4914022 for time-series of shape parameters and additional snapshots from the simulations.
52.
B.
Halle
,
M.
Landgren
, and
B.
Jönsson
,
J. Phys.
49
,
1235
(
1988
).
53.
A. G.
Daful
,
J. B.
Avalos
, and
A. D.
Mackie
,
Langmuir
28
,
3730
(
2012
).
54.
M.
Sammalkorpi
,
M.
Karttunen
, and
M.
Haataja
,
J. Am. Chem. Soc.
130
,
17977
(
2008
).
55.
S. E.
Feller
and
A. D.
MacKerell
,
J. Phys. Chem. B
104
,
7510
(
2000
).
56.
S. W. I.
Siu
,
K.
Pluhackova
, and
R. A.
Böckmann
,
J. Chem. Theory Comput.
8
,
1459
(
2012
).
57.
B.
Jójárt
and
T. A.
Martinek
,
J. Comput. Chem.
28
,
2051
(
2007
).
58.
S. W. I.
Siu
,
R.
Vácha
,
P.
Jungwirth
, and
R. A.
Böckmann
,
J. Chem. Phys.
128
,
125103
(
2008
).
59.
Å. A.
Skjevik
,
B. D.
Madej
,
R. C.
Walker
, and
K.
Teigen
,
J. Phys. Chem. B
116
,
11124
(
2012
).
60.
C. J.
Dickson
,
L.
Rosso
,
R. M.
Betz
,
R. C.
Walker
, and
I. R.
Gould
,
Soft Matter
8
,
9617
(
2012
).
61.
C. J.
Dickson
,
B. D.
Madej
,
Å. A.
Skjevik
,
R. M.
Betz
,
K.
Teigen
,
I. R.
Gould
, and
R. C.
Walker
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
865
(
2014
).
62.
A.
Queimada
,
S.
Quinones-Cisneros
,
I.
Marrucho
,
J.
Coutinho
, and
E.
Stenby
,
Int. J. Thermophys.
24
,
1221
(
2003
).
63.
R. M.
Stephenson
and
S.
Malanowski
,
Handbook of the Thermodynamics of Organic Compounds
(
Elsevier
,
1987
).
64.
A. A.
Silva
,
R. A.
Reis
, and
M. L. L.
Paredes
,
J. Chem. Eng. Data
54
,
2067
(
2009
).
65.
S. N.
Bhattacharyya
and
D.
Patterson
,
J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1
81
,
375
(
1985
).
66.
A.
Sodt
and
R.
Pastor
,
Biophys. J.
104
,
2202
(
2013
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.