An algorithm to efficiently simulate multi-component fluids is proposed and illustrated. The focus is on biological membranes that are heterogeneous and challenging to investigate quantitatively. To achieve rapid equilibration of spatially inhomogeneous fluids, we mix conventional molecular dynamics simulations with alchemical trajectories. The alchemical trajectory switches the positions of randomly selected pairs of molecules and plays the role of an efficient Monte Carlo move. It assists in accomplishing rapid spatial de-correlations. Examples of phase separation and mixing are given in two-dimensional binary Lennard-Jones fluid and a DOPC-POPC membrane. The performance of the algorithm is analyzed, and tools to maximize its efficiency are provided. It is concluded that the algorithm is vastly superior to conventional molecular dynamics for the equilibrium study of biological membranes.

1.
D.
Leipply
,
D.
Lambert
, and
D. E.
Draper
,
Biophysical, Chemical, and Functional Probes of RNA Structure, Interactions and Folding, Part B
, Volume 469 of Methods in Enzymology (
Elsevier
,
2009
), p.
433
.
2.
Y.
Chen
,
B. C.
Lagerholm
,
B.
Yang
, and
K.
Jacobson
,
Methods
39
,
147
(
2006
).
3.
P. M.
Macdonald
,
Q.
Saleem
,
A.
Lai
, and
H. H.
Morales
,
Chem. Phys. Lipids
166
,
31
(
2013
).
4.
E.
Sezgin
,
I.
Levental
,
S.
Mayor
, and
C.
Eggeling
,
Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
18
,
361
(
2017
).
5.
A.
Kusumi
,
I.
Koyama-Honda
, and
K.
Suzuki
,
Traffic
5
,
213
(
2004
).
6.
K.
Jacobson
,
E. D.
Sheets
, and
R.
Simson
,
Science
268
,
1441
(
1995
).
7.
M.
Edidin
,
Trends Cell Biol.
2
,
376
(
1992
).
8.
E.
Sevcsik
and
G. J.
Schutz
,
BioEssays
38
,
129
(
2016
).
9.
A. S.
Shaw
,
Nat. Immunol.
7
,
1139
(
2006
).
10.
K.
Simons
and
M. J.
Gerl
,
Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
11
,
688
(
2010
).
11.
P.
Sharma
,
R.
Varma
,
R. C.
Sarasij
,
Ira
,
K.
Gousset
,
G.
Krishnamoorthy
,
M.
Rao
, and
S.
Mayor
,
Cell
116
,
577
(
2004
).
12.
K.
Gaus
,
E.
Gratton
,
E. P. W.
Kable
,
A. S.
Jones
,
I.
Gelissen
,
L.
Kritharides
, and
W.
Jessup
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
100
,
15554
(
2003
).
13.
C. M.
Rosetti
,
A.
Mangiarotti
, and
N.
Wilke
,
Biochim. Biophys. Acta, Biomembr.
1859
,
789
(
2017
).
14.
C.
Dietrich
,
B.
Yang
,
T.
Fujiwara
,
A.
Kusumi
, and
K.
Jacobson
,
Biophys. J.
82
,
274
(
2002
).
15.
M.
Brameshuber
,
J.
Weghuber
,
V.
Ruprecht
,
I.
Gombos
,
I.
Horvath
,
L.
Vigh
,
P.
Eckerstorfer
,
E.
Kiss
,
H.
Stockinger
, and
G. J.
Schutz
,
J. Biol. Chem.
285
,
41765
(
2010
).
16.
C. T.
Boughter
,
V.
Monje-Galvan
,
W.
Im
, and
J. B.
Klauda
,
J. Phys. Chem. B
120
,
11761
(
2016
).
17.
V.
Monje-Galvan
and
J. B.
Klauda
,
Mol. Simul.
43
,
1179
(
2017
).
18.
M.
Pasenkiewicz-Gierula
,
K.
Baczynski
,
M.
Markiewicz
, and
K.
Murzyn
,
Biochim. Biophys. Acta, Biomembr.
1858
,
2305
(
2016
).
19.
W. F. D.
Bennett
and
D. P.
Tieleman
,
Biochim. Biophys. Acta, Biomembr.
1828
,
1765
(
2013
).
20.
D. G.
Ackerman
and
G. W.
Feigenson
,
J. Phys. Chem. B
119
,
4240
(
2015
).
21.
F. E.
Herrera
and
S.
Pantano
,
J. Chem. Phys.
136
,
015103
(
2012
).
22.
H. I.
Ingolfsson
,
M. N.
Melo
,
F. J.
van Eerden
,
C.
Arnarez
,
C. A.
Lopez
,
T. A.
Wassenaar
,
X.
Periole
,
A. H.
de Vries
,
D. P.
Tieleman
, and
S. J.
Marrink
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
14554
(
2014
).
23.
A. J.
Sodt
,
M. L.
Sandar
,
K.
Gawrisch
,
R. W.
Pastor
, and
E.
Lyman
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
725
(
2014
).
24.
G. A.
Pantelopulos
,
T.
Nagai
,
A.
Bandara
,
A.
Panahi
, and
J. E.
Straub
,
J. Chem. Phys.
147
,
095101
(
2017
).
25.
K.
Huang
and
A. E.
Garcia
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
4264
(
2014
).
26.
T.
Mori
,
J.
Jung
, and
Y.
Sugita
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
5629
(
2013
).
27.
N.
Metropolis
,
A. W.
Rosenbluth
,
M. N.
Rosenbluth
,
A. H.
Teller
, and
E.
Teller
,
J. Chem. Phys.
21
,
1087
(
1953
).
28.
P. S.
Coppock
and
J. T.
Kindt
,
Langmuir
25
,
352
(
2009
).
29.
J. T.
Kindt
,
Mol. Simul.
37
,
516
(
2011
).
30.
J. P.
Nilmeier
,
G. E.
Crooks
,
D. D. L.
Minh
, and
J. D.
Chodera
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
,
9665
(
2012
).
31.
C.
Jarzynski
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
2690
(
1997
).
32.
S.
Gill
,
N. M.
Lim
,
P.
Grinaway
,
A. S.
Rustenburg
,
J.
Fass
,
G.
Ross
,
J. D.
Chodera
, and
D. L.
Mobley
,
J. Phys. Chem. B
122
,
5579
(
2018
).
33.
D.
Suh
,
B. K.
Radak
,
C.
Chipot
, and
B.
Roux
,
J. Chem. Phys.
148
,
014101
(
2018
).
34.
M. L.
Mugnai
and
R.
Elber
,
J. Chem. Theory Comput.
8
,
3022
(
2012
).
35.
M. J.
Mitchell
and
J. A.
McCammon
,
J. Comput. Chem.
12
,
271
(
1991
).
36.
W.
Chapman
and
N.
Quirke
,
Physica B+C
131
,
34
(
1985
).
37.
M. E.
Tuckerman
,
J.
Alejandre
,
R.
Lopez-Rendon
,
A. L.
Jochim
, and
G. J.
Martyna
,
J. Phys. A: Math. Gen.
39
,
5629
(
2006
).
38.
S.
Plimpton
,
J. Comput. Phys.
117
,
1
(
1995
).
39.
S.
Jo
,
J. B.
Lim
,
J. B.
Klauda
, and
W.
Im
,
Biophys. J.
97
,
50
(
2009
).
40.
W.
Humphrey
,
A.
Dalke
, and
K.
Schulten
,
J. Mol. Graphics Modell.
14
,
33
(
1996
).
41.
M. T.
Nelson
,
W.
Humphrey
,
A.
Gursoy
,
A.
Dalke
,
L. V.
Kale
,
R. D.
Skeel
, and
K.
Schulten
,
Int. J. Supercomput. Appl. High Perform. Comput.
10
,
251
(
1996
).
42.
S.
Miyamoto
and
P. A.
Kollman
,
J. Comput. Chem.
13
,
952
(
1992
).
43.
J. P.
Ryckaert
,
G.
Ciccotti
, and
H. J. C.
Berendsen
,
J. Comput. Phys.
23
,
327
(
1977
).
44.
U.
Essmann
,
L.
Perera
,
M. L.
Berkowitz
,
T.
Darden
,
H.
Lee
, and
L. G.
Pedersen
,
J. Chem. Phys.
103
,
8577
(
1995
).
45.
G. J.
Martyna
,
D. J.
Tobias
, and
M. L.
Klein
,
J. Chem. Phys.
101
,
4177
(
1994
).
46.
S. E.
Feller
,
Y. H.
Zhang
,
R. W.
Pastor
, and
B. R.
Brooks
,
J. Chem. Phys.
103
,
4613
(
1995
).
47.
A.
Brunger
,
C. L.
Brooks
, and
M.
Karplus
,
Chem. Phys. Lett.
105
,
495
(
1984
).
48.
E.
Velasco
and
S.
Toxvaerd
,
Phys. Rev. E
54
,
605
(
1996
).
49.
X.
Cottin
and
P. A.
Monson
,
J. Chem. Phys.
105
,
10022
(
1996
).
50.
M. R.
Hitchcock
and
C. K.
Hall
,
J. Chem. Phys.
110
,
11433
(
1999
).
51.
P. R.
ten Wolde
,
M. J.
RuizMontero
, and
D.
Frenkel
,
J. Chem. Phys.
104
,
9932
(
1996
).
52.
S.
Jungblut
and
C.
Dellago
,
J. Chem. Phys.
134
,
104501
(
2011
).
53.
J. J.
de Pablo
,
Q. L.
Yan
, and
F. A.
Escobedo
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
50
,
377
(
1999
).
54.
Q. L.
Yan
and
J. J.
de Pablo
,
J. Chem. Phys.
111
,
9509
(
1999
).
55.
U. R.
Pedersen
,
T. B.
Schroder
, and
J. V.
Dyre
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
165501
(
2018
).
56.
M.
Radu
and
K.
Kremer
,
Phys. Rev. Lett.
118
,
055702
(
2018
).
57.
D.
Frenkel
,
Introduction to Monte Carlo Methods
(
John von Neumann Institute for Computing
,
Julich
,
2004
), Vol. 23.
58.
G. B.
Brandani
,
M.
Schor
,
C. E.
MacPhee
,
H.
Grubmuller
,
U.
Zachariae
, and
D.
Marenduzzo
,
PLoS One
8
,
e65617
(
2013
).
59.
M.
Camesasca
,
M.
Kaufman
, and
I.
Manas-Zloczower
,
Macromol. Theory Simul.
15
,
595
(
2006
).
60.
A.
Pohorille
,
C.
Jarzynski
, and
C.
Chipot
,
J. Phys. Chem. B
114
,
10235
(
2010
).
61.
M. R.
Shirts
,
J. W.
Pitera
,
W. C.
Swope
, and
V. S.
Pande
,
J. Chem. Phys.
119
,
5740
(
2003
).
62.
S.
Boresch
,
F.
Tettinger
,
M.
Leitgeb
, and
M.
Karplus
,
J. Phys. Chem. B
107
,
9535
(
2003
).
63.
D. A.
Pearlman
,
J. Phys. Chem.
98
,
1487
(
1994
).
64.
S.
Shobana
,
B.
Roux
, and
O. S.
Andersen
,
J. Phys. Chem. B
104
,
5179
(
2000
).
65.
T. C.
Beutler
,
A. E.
Mark
,
R. C.
Vanschaik
,
P. R.
Gerber
, and
W. F.
Vangunsteren
,
Chem. Phys. Lett.
222
,
529
(
1994
).
You do not currently have access to this content.