Accurate force fields are one of the major pillars on which successful molecular dynamics simulations of complex biomolecular processes rest. They have been optimized for ambient conditions, whereas high-pressure simulations become increasingly important in pressure perturbation studies, using pressure as an independent thermodynamic variable. Here, we explore the design of non-polarizable force fields tailored to work well in the realm of kilobar pressures – while avoiding complete reparameterization. Our key is to first compute the pressure-induced electronic and structural response of a solute by combining an integral equation approach to include pressure effects on solvent structure with a quantum-chemical treatment of the solute within the embedded cluster reference interaction site model (EC-RISM) framework. Next, the solute’s response to compression is taken into account by introducing pressure-dependence into selected parameters of a well-established force field. In our proof-of-principle study, the full machinery is applied to N,N,N-trimethylamine-N-oxide (TMAO) in water being a potent osmolyte that counteracts pressure denaturation. EC-RISM theory is shown to describe well the charge redistribution upon compression of TMAO(aq) to 10 kbar, which is then embodied in force field molecular dynamics by pressure-dependent partial charges. The performance of the high pressure force field is assessed by comparing to experimental and ab initio molecular dynamics data. Beyond its broad usefulness for designing non-polarizable force fields for extreme thermodynamic conditions, a good description of the pressure-response of solutions is highly recommended when constructing and validating polarizable force fields.

1.
P. H.
Yancey
,
J. Exp. Biol.
208
,
2819
(
2005
).
2.
P. H.
Yancey
,
M. E.
Clark
,
S. C.
Hand
,
R. D.
Bowlus
, and
G. N.
Somero
,
Science
217
,
1214
(
1982
).
3.
T.
Lin
and
S.
Timasheff
,
Biochemistry
33
,
12695
(
1994
).
4.
A.
Wang
and
D.
Bolen
,
Biochemistry
36
,
9101
(
1997
).
5.
L.
Nielsen
,
R.
Khurana
,
A.
Coats
,
S.
Frokjaer
,
J.
Brange
,
S.
Vyas
,
V. N.
Uversky
, and
A. L.
Fink
,
Biochemistry
40
,
6036
(
2001
).
6.
J.
Tatzelt
,
S. B.
Prusiner
, and
W. J.
Welch
,
EMBO J.
15
,
6363
(
1996
).
7.
E. P.
O’Brien
,
Y.
Okamoto
,
J. E.
Straub
,
B. R.
Brooks
, and
D.
Thirumalai
,
J. Phys. Chem. B
113
,
14421
(
2009
).
8.
D. H.
Bartlett
,
BBA, Biochim. Biophys. Acta, Protein Struct. Mol. Enzymol.
1595
,
367
(
2002
).
9.
A. A.
Yayanos
, in
Extremophiles: Microbial Life in Extreme Environments
, edited by
K.
Horikoshi
and
W. D.
Grant
,
Wiley Series in Ecological and Applied Microbiology
(
Wiley-Liss
,
New York
,
1998
), pp.
47
92
.
10.
I.
Daniel
,
P.
Oger
, and
R.
Winter
,
Chem. Soc. Rev.
35
,
858
(
2006
).
11.
P. M.
Oger
and
M.
Jebbar
,
Res. Microbiol.
161
,
799
(
2010
).
12.
P. H.
Yancey
and
J. F.
Siebenaller
,
J. Exp. Biol.
202
,
3597
(
1999
).
13.
F.
Meersman
,
I.
Daniel
,
D. H.
Bartlett
,
R.
Winter
,
R.
Hazael
, and
P. F.
McMillan
,
Rev. Mineral.
75
,
607
(
2013
).
14.
J. L.
Silva
,
D.
Foguel
, and
C. A.
Royer
,
Trends Biochem. Sci.
26
,
612
(
2001
).
15.
L.
Smeller
,
P.
Rubens
, and
K.
Heremans
,
Biochemistry
38
,
3816
(
1999
).
16.
17.
H. R.
Kalbitzer
,
M.
Spoerner
,
P.
Ganser
,
C.
Hozsa
, and
W.
Kremer
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
16714
(
2009
).
18.
R.
Mishra
and
R.
Winter
,
Angew. Chem., Int. Ed.
47
,
6518
(
2008
).
19.
M. B.
Prigozhin
,
Y.
Liu
,
A. J.
Wirth
,
S.
Kapoor
,
R.
Winter
,
K.
Schulten
, and
M.
Gruebele
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
110
,
8087
(
2013
).
20.
S.
Grudzielanek
,
V.
Smirnovas
, and
R.
Winter
,
J. Mol. Biol.
356
,
497
(
2006
).
21.
S.
Kapoor
,
G.
Triola
,
I. R.
Vetter
,
M.
Erlkamp
,
H.
Waldmann
, and
R.
Winter
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
,
460
(
2012
).
22.
D.
Trzesniak
,
R. D.
Lins
, and
W. F.
van Gunsteren
,
Proteins
65
,
136
(
2006
).
23.
E.
Paci
,
BBA, Biochim. Biophys. Acta, Protein Struct. Mol. Enzymol.
1595
,
185
(
2002
).
24.
D.
Paschek
and
A. E.
García
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
238105
(
2004
).
25.
R.
Day
and
A. E.
García
,
Proteins
70
,
1175
(
2008
).
26.
D.
Paschek
,
S.
Hempel
, and
A. E.
García
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
105
,
17754
(
2008
).
27.
S.
Sarupria
,
T.
Ghosh
,
A. E.
García
, and
S.
Garde
,
Proteins
78
,
1641
(
2010
).
28.
R.
Sarma
and
S.
Paul
,
J. Phys. Chem. B
117
,
9056
(
2013
).
29.
D.
Marx
and
J.
Hutter
,
Ab Initio Molecular Dynamics: Basic Theory and Advanced Methods
(
Cambridge University Press
,
2009
).
30.
R.
Cammi
,
V.
Verdolino
,
B.
Mennucci
, and
J.
Tomasi
,
Chem. Phys.
344
,
135
(
2008
).
31.
R.
Cammi
,
C.
Cappelli
,
B.
Mennucci
, and
J.
Tomasi
,
J. Chem. Phys.
137
,
154112
(
2012
).
32.
H.
Sato
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
7450
(
2013
).
33.
T.
Kloss
,
J.
Heil
, and
S. M.
Kast
,
J. Phys. Chem. B
112
,
4337
(
2008
).
34.
A.
Fornili
,
M.
Civera
,
M.
Sironi
, and
S. L.
Fornili
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
5
,
4905
(
2003
).
35.
Q.
Zou
,
B. J.
Bennion
,
V.
Daggett
, and
K. P.
Murphy
,
J. Am. Chem. Soc.
124
,
1192
(
2002
).
36.
K. M.
Kast
,
J.
Brickmann
,
S. M.
Kast
, and
R. S.
Berry
,
J. Phys. Chem. A
107
,
5342
(
2003
).
37.
H.
Wei
,
Y.
Fan
, and
Y. Q.
Gao
,
J. Phys. Chem. B
114
,
557
(
2010
).
38.
H.
Kokubo
,
C. Y.
Hu
, and
B. M.
Pettitt
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
1849
(
2011
).
39.
R.
Sarma
and
S.
Paul
,
J. Chem. Phys.
135
,
174501
(
2011
).
40.
R.
Sarma
and
S.
Paul
,
J. Chem. Phys.
137
,
114503
(
2012
).
41.
J.
Mondal
,
G.
Stirnemann
, and
B. J.
Berne
,
J. Phys. Chem. B
117
,
8723
(
2013
).
42.
A.
Fiore
,
V.
Venkateshwaran
, and
S.
Garde
,
Langmuir
29
,
8017
(
2013
).
43.
D. R.
Canchi
,
P.
Jayasimha
,
D. C.
Rau
,
G. I.
Makhatadze
, and
A. E.
García
,
J. Phys. Chem. B
116
,
12095
(
2012
).
44.
L.
Larini
and
J.-E.
Shea
,
J. Phys. Chem. B
117
,
13268
(
2013
).
45.
E.
Schneck
,
D.
Horinek
, and
R. R.
Netz
,
J. Phys. Chem. B
117
,
8310
(
2013
).
46.
S.
Imoto
,
H.
Forbert
, and
D.
Marx
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
24224
(
2015
).
47.
J.
Abascal
and
C.
Vega
,
J. Chem. Phys.
123
,
234505
(
2005
).
48.
C.
Vega
and
J.
Abascal
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
19663
(
2011
).
49.
D.
Chandler
,
J. D.
McCoy
, and
S. J.
Singer
,
J. Chem. Phys.
85
,
5971
(
1986
).
50.
D.
Chandler
,
J. D.
McCoy
, and
S. J.
Singer
,
J. Chem. Phys.
85
,
5977
(
1986
).
51.
D.
Beglov
and
B.
Roux
,
J. Phys. Chem. B
101
,
7821
(
1997
).
52.
A.
Kovalenko
and
F.
Hirata
,
Chem. Phys. Lett.
290
,
237
(
1998
).
53.
A.
Kovalenko
and
F.
Hirata
,
J. Chem. Phys.
110
,
10095
(
1999
).
54.
A.
Kovalenko
and
F.
Hirata
,
J. Chem. Phys.
112
,
10391
(
2000
).
55.
A.
Kovalenko
and
F.
Hirata
,
J. Chem. Phys.
112
,
10403
(
2000
).
56.
S. M.
Kast
,
J.
Heil
,
S.
Güssregen
, and
K. F.
Schmidt
,
J. Comput.-Aided Mol. Des.
24
,
343
(
2010
).
57.
J.
Heil
,
D.
Tomazic
,
S.
Egbers
, and
S. M.
Kast
,
J. Mol. Model.
20
,
2161
(
2014
).
58.
J.
Engel
,
A.
Richters
,
M.
Getlik
,
S.
Tomassi
,
M.
Keul
,
M.
Termathe
,
J.
Lategahn
,
C.
Becker
,
S.
Mayer-Wrangowski
,
C.
Grütter
,
N.
Uhlenbrock
,
J.
Krll
,
N.
Schaumann
,
S.
Eppmann
,
P.
Kibies
,
F.
Hoffgaard
,
J.
Heil
,
S.
Menninger
,
S.
Ortiz-Cuaran
,
J. M.
Heuckmann
,
V.
Tinnefeld
,
R. P.
Zahedi
,
M. L.
Sos
,
C.
Schultz-Fademrecht
,
R. K.
Thomas
,
S. M.
Kast
, and
D.
Rauh
,
J. Med. Chem.
58
,
6844
(
2015
).
59.
R.
Frach
and
S. M.
Kast
,
J. Phys. Chem. A
118
,
11620
(
2014
).
60.
A.
Kovalenko
,
S.
Ten-No
, and
F.
Hirata
,
J. Comput. Chem.
20
,
928
(
1999
).
61.
S. M.
Kast
and
T.
Kloss
,
J. Chem. Phys.
129
,
236101
(
2008
).
62.
D.
Chandler
and
H. C.
Andersen
,
J. Chem. Phys.
57
,
1930
(
1972
).
63.
J. S.
Perkyns
and
B. M.
Pettit
,
Chem. Phys. Lett.
190
,
626
(
1992
).
64.
J.
Perkyns
and
B. M.
Pettitt
,
J. Chem. Phys.
97
,
7656
(
1992
).
65.
S. M.
Kast
,
K. F.
Schmidt
, and
B.
Schilling
,
Chem. Phys. Lett.
367
,
398
(
2003
).
66.
C. M.
Breneman
and
K. B.
Wiberg
,
J. Comput. Chem.
11
,
361
(
1990
).
67.
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
,
G. E.
Scuseria
,
M. A.
Robb
,
J. R.
Cheeseman
,
J. A.
Montgomery
, Jr.
,
T.
Vreven
,
K. N.
Kudin
,
J. C.
Burant
,
J. M.
Millam
,
S. S.
Iyengar
,
J.
Tomasi
,
V.
Barone
,
B.
Mennucci
,
M.
Cossi
,
G.
Scalmani
,
N.
Rega
,
G. A.
Petersson
,
H.
Nakatsuji
,
M.
Hada
,
M.
Ehara
,
K.
Toyota
,
R.
Fukuda
,
J.
Hasegawa
,
M.
Ishida
,
T.
Nakajima
,
Y.
Honda
,
O.
Kitao
,
H.
Nakai
,
M.
Klene
,
X.
Li
,
J. E.
Knox
,
H. P.
Hratchian
,
J. B.
Cross
,
V.
Bakken
,
C.
Adamo
,
J.
Jaramillo
,
R.
Gomperts
,
R. E.
Stratmann
,
O.
Yazyev
,
A. J.
Austin
,
R.
Cammi
,
C.
Pomelli
,
J. W.
Ochterski
,
P. Y.
Ayala
,
K.
Morokuma
,
G. A.
Voth
,
P.
Salvador
,
J. J.
Dannenberg
,
V. G.
Zakrzewski
,
S.
Dapprich
,
A. D.
Daniels
,
M. C.
Strain
,
O.
Farkas
,
D. K.
Malick
,
A. D.
Rabuck
,
K.
Raghavachari
,
J. B.
Foresman
,
J. V.
Ortiz
,
Q.
Cui
,
A. G.
Baboul
,
S.
Clifford
,
J.
Cioslowski
,
B. B.
Stefanov
,
G.
Liu
,
A.
Liashenko
,
P.
Piskorz
,
I.
Komaromi
,
R. L.
Martin
,
D. J.
Fox
,
T.
Keith
,
M. A.
Al-Laham
,
C. Y.
Peng
,
A.
Nanayakkara
,
M.
Challacombe
,
P. M. W.
Gill
,
B.
Johnson
,
W.
Chen
,
M. W.
Wong
,
C.
Gonzalez
, and
J. A.
Pople
, gaussian 03, Revision D.02, Gaussian, Inc., Wallingford, CT, 2004.
68.
S.
Gusarov
,
T.
Ziegler
, and
A.
Kovalenko
,
J. Phys. Chem. A
110
,
6083
(
2006
).
69.
N.
Yoshida
and
F.
Hirata
,
J. Comput. Chem.
27
,
453
(
2006
).
70.
T.
Miyata
and
F.
Hirata
,
J. Comput. Chem.
29
,
871
(
2008
).
71.
W. B.
Floriano
and
M. A. C.
Nascimento
,
Braz. J. Phys.
34
,
38
(
2004
).
72.
P.
Dierckx
,
J. Comput. Appl. Math.
1
,
165
(
1975
).
73.
P.
Dierckx
,
SIAM J. Numer. Anal.
19
,
1286
(
1982
).
74.
K.-C.
Ng
,
J. Chem. Phys.
61
,
2680
(
1974
).
75.
J.
Heil
and
S. M.
Kast
,
J. Chem. Phys.
142
,
114107
(
2015
).
76.
E.
Cancs
,
B.
Mennucci
, and
J.
Tomasi
,
J. Chem. Phys.
107
,
3032
(
1997
).
77.
M.
Cossi
,
V.
Barone
,
B.
Mennucci
, and
J.
Tomasi
,
Chem. Phys. Lett.
286
,
253
(
1998
).
78.
B.
Mennucci
and
J.
Tomasi
,
J. Chem. Phys.
106
,
5151
(
1997
).
79.
A. D.
Becke
,
Phys. Rev. A
38
,
3098
(
1988
).
80.
C.
Lee
,
W.
Yang
, and
R. G.
Parr
,
Phys. Rev. B
37
,
785
(
1988
).
81.
A. D.
McLean
and
G. S.
Chandler
,
J. Chem. Phys.
72
,
5639
(
1980
).
82.
R.
Krishnan
,
J. S.
Binkley
,
R.
Seeger
, and
J. A.
Pople
,
J. Chem. Phys.
72
,
650
(
1980
).
83.
J.-P.
Blaudeau
,
M. P.
McGrath
,
L. A.
Curtiss
, and
L.
Radom
,
J. Chem. Phys.
107
,
5016
(
1997
).
84.
R. H.
Byrd
,
P.
Lu
, and
C. Z. J.
Nocedal
,
SIAM J. Sci. Comput.
16
,
1190
(
1995
).
85.
L.
Suen
,
Algorithm-LBFGS-0.16,
2008, http://search.cpan.org/~laye/Algorithm-LBFGS-0.16.
86.
J.
Hutter
,
M.
Iannuzzi
,
F.
Schiffmann
, and
J.
VandeVondele
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
4
,
15
(
2014
).
87.
J.
VandeVondele
,
M.
Krack
,
F.
Mohamed
,
M.
Parrinello
,
T.
Chassaing
, and
J.
Hutter
,
Comput. Phys. Commun.
167
,
103
(
2005
).
88.
G.
Lippert
,
J.
Hutter
, and
M.
Parrinello
,
Mol. Phys.
92
,
477
(
1997
).
89.
J.
VandeVondele
and
J.
Hutter
,
J. Chem. Phys.
127
,
114105
(
2007
).
90.
S.
Goedecker
,
M.
Teter
, and
J.
Hutter
,
Phys. Rev. B
54
,
1703
(
1996
).
91.
C.
Hartwigsen
,
S.
Goedecker
, and
J.
Hutter
,
Phys. Rev. B
58
,
3641
(
1998
).
92.
T.
Morawietz
and
J.
Behler
,
J. Phys. Chem. A
117
,
7356
(
2013
).
93.
K.
Forster-Tonigold
and
A.
Groß
,
J. Chem. Phys.
141
,
064501
(
2014
).
94.
B.
Hammer
,
L. B.
Hansen
, and
J. k.
Nørskov
,
Phys. Rev. B
59
,
7413
(
1999
).
95.
M. A. L.
Marques
,
M. J. T.
Oliveira
, and
T.
Burnus
,
Comput. Phys. Commun.
183
,
2272
(
2012
).
96.
S.
Grimme
,
J.
Antony
,
S.
Ehrlich
, and
H.
Krieg
,
J. Chem. Phys.
132
,
154104
(
2010
).
97.
R.
Jonchiere
,
A. P.
Seitsonen
,
G.
Ferlat
,
A. M.
Saitta
, and
R.
Vuilleumier
,
J. Chem. Phys.
135
,
154503
(
2011
).
98.
N.
Marzari
and
D.
Vanderbilt
,
Phys. Rev. B
56
,
12847
(
1997
).
99.
B.
Hess
,
C.
Kutzner
,
D.
van der Spoel
, and
E.
Lindahl
,
J. Chem. Theory Comput.
4
,
435
(
2008
).
100.
U.
Essmann
,
L.
Perera
,
M. L.
Berkowitz
,
T.
Darden
,
H.
Lee
, and
L. G.
Pedersen
,
J. Chem. Phys.
103
,
8577
(
1995
).
101.
S.
Miyamoto
and
P. A.
Kollman
,
J. Comput. Chem.
13
,
952
(
1992
).
102.
B.
Hess
,
H.
Bekker
,
H. J. C.
Berendsen
, and
J. G. E. M.
Fraaije
,
J. Comput. Chem.
18
,
1463
(
1997
).
103.
G.
Bussi
,
D.
Donadio
, and
M.
Parrinello
,
J. Chem. Phys.
126
,
014101
(
2007
).
104.
M.
Parrinello
and
A.
Rahman
,
J. Appl. Phys.
52
,
7182
(
1981
).
105.
J. G.
Kirkwood
and
F. P.
Buff
,
J. Chem. Phys.
19
,
774
(
1951
).
106.
P.
Ganguly
and
N. F. A.
van der Vegt
,
J. Chem. Theory. Comput.
9
,
1347
(
2013
).
107.
H.
Geyer
,
P.
Ulbig
,
M.
Görnert
, and
A.
Susanto
,
J. Chem. Thermodyn.
33
,
987
(
2001
).
108.
H.
Seemann
,
R.
Winter
, and
C. A.
Royer
,
J. Mol. Biol.
307
,
1091
(
2001
).
109.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4944991 for force field parameters and TMAO structures.
110.
J.
Sun
,
D.
Bousquet
,
H.
Forbert
, and
D.
Marx
,
J. Chem. Phys.
133
,
114508
(
2010
).
111.
W.
Humphrey
,
A.
Dalke
, and
K.
Schulten
,
J. Mol. Graphics
14
,
33
(
1996
).
112.
S.-H.
Chong
and
S.
Ham
,
J. Chem. Phys.
137
,
154101
(
2012
).
113.
C.
Vega
,
E.
Sanz
,
J. L. F.
Abascal
, and
E. G.
Noya
,
J. Phys.: Condens. Matter
20
,
153101
(
2008
).
114.
D.
Horinek
and
R. R.
Netz
,
J. Phys. Chem. A
115
,
6125
(
2011
).
115.
E. S.
Courtenay
,
M. W.
Capp
,
C. F.
Anderson
, and
M. T. J.
Record
,
Biochemistry
39
,
4455
(
2000
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.