Nucleic acids are characterized by a complex hierarchical structure and a variety of interaction mechanisms with other molecules. These features suggest the need of multiscale simulation methods in order to grasp the relevant physical properties of deoxyribonucleic acid (DNA) and RNA using in silico experiments. Here we report an implementation of a dual-resolution modeling of a DNA oligonucleotide in physiological conditions; in the presented setup only the nucleotide molecule and the solvent and ions in its proximity are described at the atomistic level; in contrast, the water molecules and ions far from the DNA are represented as computationally less expensive coarse-grained particles. Through the analysis of several structural and dynamical parameters, we show that this setup reliably reproduces the physical properties of the DNA molecule as observed in reference atomistic simulations. These results represent a first step towards a realistic multiscale modeling of nucleic acids and provide a quantitatively solid ground for their simulation using dual-resolution methods.
REFERENCES
1.
S.
Doonan
, Nucleic Acids
(Royal Society of Chemistry
, Cambridge
, 2004
).2.
J. D.
Halverson
, J.
Smrek
, K.
Kremer
, and A. Y.
Grosberg
, Rep. Prog. Phys.
77
, 022601
(2014
).3.
H. K.
Srivastava
, M.
Chourasia
, D.
Kumar
, and G. N.
Sastry
, J. Chem. Inf. Model.
51
, 558
(2011
).4.
H. I.
Ingolfsson
, C. A.
Lopez
, J. J.
Uusitalo
, D. H.
de Jong
, S. M.
Gopal
, X.
Periole
, and S. J.
Marrink
, WIREs: Comput. Mol. Sci.
4
, 225
(2014
).5.
D. A.
Potoyan
, A.
Savelyev
, and G. A.
Papoian
, WIREs: Comput. Mol. Sci.
3
, 69
(2013
).6.
E. J.
Sambriski
, D. C.
Schwartz
, and J. J.
de Pablo
, Biophys. J.
96
, 1675
(2009
).7.
R. C.
DeMille
, T. E.
Cheatham
III, and V.
Molinero
, J. Phys. Chem. B
115
, 132
(2011
).8.
T. A.
Knotts
, N.
Rathore
, D. C.
Schwartz
, and J. J.
de Pablo
, J. Chem. Phys.
126
, 084901
(2007
).9.
G. S.
Greeman
, D. M.
Hinckley
, and J. J.
de Pablo
, J. Chem. Phys.
135
, 165104
(2011
).10.
D. M.
Hinckley
, G. S.
Freeman
, J. K.
Whitmer
, and J. J.
de Pablo
, J. Chem. Phys.
139
, 144903
(2013
).11.
D. M.
Hinckley
, J. P.
Lequieu
, and J. J.
de Pablo
, J. Chem. Phys.
141
, 035102
(2014
).12.
T. E.
Ouldridge
, A. A.
Louis
, and J. P. K.
Doye
, Phys. Rev. Lett.
104
, 178101
(2010
).13.
T. E.
Ouldridge
, A. A.
Louis
, and J. P. K.
Doye
, J. Chem. Phys.
134
, 085101
(2011
).14.
P.
Sulc
, F.
Romano
, T. E.
Ouldridge
, L.
Rovigatti
, J. P. K.
Koye
, and A. A.
Louis
, J. Chem. Phys.
137
, 135101
(2012
).15.
P. D.
Dans
, A.
Zeida
, M. R.
Machado
, and S.
Pantano
, J. Chem. Theory Comput.
6
, 1711
(2010
).16.
A.
Morriss-Andrews
, J.
Rottler
, and S. S.
Plotkin
, J. Chem. Phys.
132
, 035105
(2010
).17.
T.
Murtola
, A.
Bunker
, I.
Vattulainen
, M.
Deserno
, and M.
Karttunen
, Phys. Chem. Chem. Phys.
11
, 1869
(2009
).18.
C.
Peter
and K.
Kremer
, Faraday Discuss.
144
, 9
(2010
).19.
D.
Fritz
, K.
Koschke
, V. A.
Harmandaris
, N. F. A.
van der Vegt
, and K.
Kremer
, Phys. Chem. Chem. Phys.
13
, 10412
(2011
).20.
S. C. L.
Kamerlin
and A.
Warshel
, Phys. Chem. Chem. Phys.
13
, 10401
(2011
).21.
M.
Praprotnik
, L.
Delle Site
, and K.
Kremer
, J. Chem. Phys.
123
, 224106
(2005
).22.
J.
Zavadlav
, M. N.
Melo
, S. J.
Marrink
, and M.
Praprotnik
, J. Chem. Phys.
140
, 054114
(2014
).23.
A. C.
Fogarty
, R.
Potestio
, and K.
Kremer
, J. Chem. Phys.
142
, 195101
(2015
).24.
J.
Zavadlav
, R.
Podgornik
, and M.
Praprotnik
, J. Chem. Theory Comput.
11
, 5035
(2015
).25.
M.
Praprotnik
, L. D.
Site
, and K.
Kremer
, Annu. Rev. Phys. Chem.
59
, 545
(2008
).26.
R.
Wing
, H.
Drew
, T.
Takano
, C.
Broka
, S.
Tanaka
, K.
Itakura
, and R. E.
Dickerson
, Nature
287
, 755
(1980
).27.
V.
Tereshko
, G.
Minasov
, and M.
Egli
, J. Am. Chem. Soc.
121
, 470
(1999
).28.
L.
Lercher
, M. A.
McDonough
, A.
El-Sagheer
, A.
Thalhammer
, S.
Kriaucionis
, T.
Brown
, and C. J.
Schofield
, Chem. Commun.
50
, 1794
(2014
).29.
T.
Drsata
, A.
Perez
, M.
Orozco
, A. V.
Morozov
, J.
Sponer
, and F.
Lankas
, J. Chem. Theory Comput.
9
, 707
(2013
).30.
Y.
Duan
, C.
Wu
, S.
Chowdhury
, M. C.
Lee
, G.
Xiong
, W.
Zhang
, R.
Yang
, P.
Cieplak
, R.
Luo
, T.
Lee
, J.
Caldwell
, J.
Wang
, and P.
Kollman
, J. Comput. Chem.
24
, 1999
(2003
).31.
W. L.
Jorgensen
, J.
Chandrasekhar
, J. D.
Madura
, R. W.
Impey
, and M. L.
Klein
, J. Chem. Phys.
79
, 926
(1983
).32.
W.
Tschoep
, K.
Kremer
, J.
Batoulis
, T.
Buerger
, and O.
Hahn
, Acta Polym.
49
, 61
(1998
).33.
W.
Tschoep
, K.
Kremer
, J.
Batoulis
, T.
Buerger
, and O.
Hahn
, Acta Polym.
49
, 75
(1998
).34.
D.
Reith
, M.
Pütz
, and F.
Müller-Plathe
, J. Comput. Chem.
24
, 1624
(2003
).35.
V.
Ruehle
, C.
Junghans
, A.
Lukyanov
, K.
Kremer
, and D.
Andrienko
, J. Chem. Theory Comput.
5
, 3211
(2009
).36.
S.
Pronk
, S.
Pll
, 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
).37.
L. D.
Site
, Entropy
16
, 23
(2014
).38.
R.
Potestio
, S.
Fritsch
, P.
Espanol
, R.
Delgado-Buscalioni
, K.
Kremer
, R.
Everaers
, and D.
Donadio
, Phys. Rev. Lett.
110
, 108301
(2013
).39.
P.
Espanol
, R.
Delgado-Buscalioni
, R.
Everaers
, R.
Potestio
, D.
Donadio
, and K.
Kremer
, J. Chem. Phys.
142
, 064115
(2015
).40.
K.
Kreis
, D.
Donadio
, K.
Kremer
, and R.
Potestio
, EPL
108
, 30007
(2014
).41.
F.
Ercolessi
and J. B.
Adams
, Europhys. Lett.
26
, 583
(1994
).42.
S.
Izvekov
and G. A.
Voth
, J. Chem. Phys.
123
, 134105
(2005
).43.
J. A.
Nelder
and R.
Mead
, Comput. J.
7
, 308
(1965
).44.
M. S.
Shell
, J. Chem. Phys.
129
, 144108
(2008
).45.
S. Y.
Mashayak
, M. N.
Jochum
, K.
Koschke
, N. R.
Aluru
, V.
Ruehle
, and C.
Junghans
, PLoS One
10
, e0131754
(2015
).46.
A. P.
Lyubartsev
and A.
Laaksonen
, Phys. Rev. E
52
, 3730
(1995
).47.
A. K.
Soper
, Chem. Phys.
202
, 295
(1996
).48.
T. E.
de Oliveira
, P. A.
Netz
, K.
Kremer
, C.
Junghans
, and D.
Mukherji
, J. Chem. Phys.
50
, 174106
(2016
).49.
H.
Wang
, C.
Junghans
, and K.
Kremer
, Eur. Phys. J. E
28
, 221
(2009
).50.
S.
Poblete
, M.
Praprotnik
, K.
Kremer
, and L.
Delle Site
, J. Chem. Phys.
132
, 114101
(2010
).51.
C.
Junghans
and S.
Poblete
, Comput. Phys. Commun.
181
, 1449
(2010
).52.
S.
Fritsch
, C.
Junghans
, and K.
Kremer
, J. Chem. Theory Comput.
8
, 398
(2012
).53.
S.
Fritsch
, S.
Poblete
, C.
Junghans
, G.
Ciccotti
, L. D.
Site
, and K.
Kremer
, Phys. Rev. Lett.
108
, 170602
(2012
).54.
M.
Praprotnik
, L. D.
Site
, and K.
Kremer
, Phys. Rev. E
73
, 066701
(2006
).55.
M.
Praprotnik
, K.
Kremer
, and L. D.
Site
, J. Phys. A: Math. Theor.
40
, F281
(2007
).56.
M.
Praprotnik
, S.
Matysiak
, L.
Delle Site
, K.
Kremer
, and C.
Clementi
, J. Phys.: Condens. Matter
19
, 292201
(2007
).57.
A.
Nagarajan
, C.
Junghans
, and S.
Matysiak
, J. Chem. Theory Comput.
9
, 5168
(2013
).58.
D.
Mukherji
, N. F. A.
van der Vegt
, and K.
Kremer
, J. Chem. Theory Comput.
8
, 3536
(2012
).59.
D.
Mukherji
, N. F. A.
van der Vegt
, K.
Kremer
, and L. D.
Site
, J. Chem. Theory Comput.
8
, 375
(2012
).60.
S.
Bevc
, C.
Junghans
, K.
Kremer
, and M.
Praprotnik
, New J. Phys.
15
, 105007
(2013
).61.
J.
Zavadlav
, M. N.
Melo
, A. V.
Cunha
, A. H.
de Vries
, S. J.
Marrink
, and M.
Praprotnik
, J. Chem. Theory Comput.
10
, 2591
(2014
).62.
D.
Mukherji
and K.
Kremer
, Macromolecules
46
, 9158
(2013
).63.
J. D.
Halverson
, T.
Brandes
, O.
Lenz
, A.
Arnold
, S.
Bevc
, V.
Starchenko
, K.
Kremer
, T.
Stuehn
, and D.
Reith
, Comput. Phys. Commun.
184
, 1129
(2013
).64.
I. G.
Tironi
, R.
Sperb
, P. E.
Smith
, and W. F.
van Gunsteren
, J. Chem. Phys.
102
, 5451
(1995
).65.
S.
Nosé
, Mol. Phys.
52
, 255
(1984
).66.
W.
Hoover
, Phys. Rev. A
31
, 1695
(1985
).67.
M.
Parrinello
and A.
Rahman
, J. Appl. Phys.
52
, 7182
(1981
).68.
B.
Hess
, H.
Bekker
, H. J. C.
Berendsen
, and J. G. E. M.
Fraaije
, J. Comput. Chem.
18
, 1463
(1997
).69.
C. G.
Ricci
, A. S. C.
de Andrade
, M.
Mottin
, and P. A.
Netz
, J. Phys. Chem. B
114
, 9882
(2010
).70.
U.
Essmann
, L.
Perera
, M. L.
Berkowitz
, T.
Darden
, H.
Lee
, and L. G.
Pedersen
, J. Chem. Phys.
103
, 8577
(1995
).71.
X. J.
Lu
and W. K.
Olson
, Nucleic Acids Res.
31
, 5108
(2003
).72.
X. J.
Lu
and W. K.
Olson
, J. Mol. Biol.
285
, 1563
(1999
).73.
H.
Berendsen
, J.
Postma
, W.
Gunsteren
, and J.
Hermans
, Interaction Models for Water in Relation to Protein Hydration
(D. Reidel Publishing Company
, 1981
), p. 331
.74.
H. J. C.
Berendsen
, J. R.
Grigera
, and T. P.
Straatsma
, J. Phys. Chem.
91
, 6269
(1987
).75.
W.
Humphrey
, A.
Dalke
, and K.
Schulten
, J. Mol. Graphics
14
, 33
(1996
).76.
K.
Kreis
, R.
Potestio
, K.
Kremer
, and A.
Fogarty
, J. Chem. Theory Comput.
12
, 4067
(2016
).77.
F.
Stanzione
and A.
Jayaraman
, J. Phys. Chem. B
120
, 4160
(2016
).78.
R.
Galindo-Murillo
, D. R.
Roe
, and T. E.
Cheatham
III, Biochim. Biophys. Acta
1850
, 1041
(2015
).79.
M.
Heidari
, R.
Cortes-Huerto
, D.
Donadio
, and R.
Potestio
, Eur. Phys. J.: Spec. Top.
225
, 1505
(2016
).80.
A.
Luzar
and D.
Chandler
, Nature
379
, 55
(1996
).81.
D. C.
Rapaport
, Mol. Phys.
50
, 1151
(1983
).82.
S. J.
Plimpton
, J. Comput. Phys.
117
, 1
(1995
).© 2016 Author(s).
2016
Author(s)
You do not currently have access to this content.
