Biological membranes that play major roles in diverse functions are composed of numerous lipids and proteins, making them an important target for coarse-grained (CG) molecular dynamics (MD) simulations. Recently, we have developed the CG implicit solvent lipid force field (iSoLF) that has a resolution compatible with the widely used Cα protein representation [D. Ugarte La Torre and S. Takada, J. Chem. Phys. 153, 205101 (2020)]. In this study, we extended it and developed a lipid–protein interaction model that allows the combination of the iSoLF and the Cα protein force field, AICG2+. The hydrophobic–hydrophilic interaction is modeled as a modified Lennard-Jones potential in which parameters were tuned partly to reproduce the experimental transfer free energy and partly based on the free energy profile normal to the membrane surface from previous all-atom MD simulations. Then, the obtained lipid–protein interaction is tested for the configuration and placement of transmembrane proteins, water-soluble proteins, and peripheral proteins, showing good agreement with prior knowledge. The interaction is generally applicable and is implemented in the publicly available software, CafeMol.

1.
X.
Cheng
and
J. C.
Smith
,
Chem. Rev.
119
,
5849
(
2019
).
2.
L.
Fagerberg
,
K.
Jonasson
,
G.
Von Heijne
,
M.
Uhlén
, and
L.
Berglund
,
Proteomics
10
,
1141
(
2010
).
3.
X.
Cui
and
Z.
Xie
,
Molecules
22
,
990
(
2017
).
4.
J. T.
Groves
and
J.
Kuriyan
,
Nat. Struct. Mol. Biol.
17
,
659
(
2010
).
5.
N.
Samart
,
D.
Althumairy
,
D.
Zhang
,
D. A.
Roess
, and
D. C.
Crans
,
Coord. Chem. Rev.
416
,
213286
(
2020
).
6.
K.
Murata
,
K.
Mitsuoka
,
T.
Hirai
,
T.
Walz
,
P.
Agre
,
J. B.
Heymann
,
A.
Engel
, and
Y.
Fujiyoshi
,
Nature
407
,
599
(
2000
).
7.
N.
Okamoto
and
N.
Yamanaka
,
Curr. Biol.
30
,
359
(
2020
).
8.
A.
Hahn
,
J.
Vonck
,
D. J.
Mills
,
T.
Meier
, and
W.
Kühlbrandt
,
Science
360
,
eaat4318
(
2018
).
9.
J.
He
,
H. C.
Ford
,
J.
Carroll
,
C.
Douglas
,
E.
Gonzales
,
S.
Ding
,
I. M.
Fearnley
, and
J. E.
Walker
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
115
,
2988
(
2018
).
10.
Y.
Arinaminpathy
,
E.
Khurana
,
D. M.
Engelman
, and
M. B.
Gerstein
,
Drug Discovery Today
14
,
1130
(
2009
).
11.
I.
Shimada
,
T.
Ueda
,
Y.
Kofuku
,
M. T.
Eddy
, and
K.
Wüthrich
,
Nat. Rev. Drug Discovery
18
,
59
(
2018
).
12.
Y.
Cheng
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
52
,
58
(
2018
).
13.
F.
Li
,
P. F.
Egea
,
A. J.
Vecchio
,
I.
Asial
,
M.
Gupta
,
J.
Paulino
,
R.
Bajaj
,
M. S.
Dickinson
,
S.
Ferguson-Miller
,
B. C.
Monk
, and
R. M.
Stroud
,
J. Biol. Chem.
296
,
100557
(
2021
).
14.
A.
Kabedev
,
S.
Hossain
,
M.
Hubert
,
P.
Larsson
, and
C. A. S.
Bergström
,
J. Pharm. Sci.
110
,
176
(
2021
).
15.
J. P.
Ulmschneider
and
M. B.
Ulmschneider
,
Acc. Chem. Res.
51
,
1106
(
2018
).
16.
T.
Mori
,
J.
Jung
, and
Y.
Sugita
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
5629
(
2013
).
17.
C.
Kandt
,
W. L.
Ash
, and
D.
Peter Tieleman
,
Methods
41
,
475
(
2007
).
18.
P. J.
Bond
,
J.
Holyoake
,
A.
Ivetac
,
S.
Khalid
, and
M. S. P.
Sansom
,
J. Struct. Biol.
157
,
593
(
2007
).
19.
W. G.
Noid
,
J. W.
Chu
,
G. S.
Ayton
,
V.
Krishna
,
S.
Izvekov
,
G. A.
Voth
,
A.
Das
, and
H. C.
Andersen
,
J. Chem. Phys.
128
,
244114
(
2008
).
20.
S.
Seo
and
W.
Shinoda
,
J. Chem. Theory Comput.
15
,
762
(
2019
).
21.
M. I.
Mahmood
,
A. B.
Poma
, and
K. I.
Okazaki
,
Front. Mol. Biosci.
8
,
619381
(
2021
).
22.
I. R.
Cooke
,
K.
Kremer
, and
M.
Deserno
,
Phys. Rev. E
72
,
011506
(
2005
).
23.
D.
Ugarte La Torre
and
S.
Takada
,
J. Chem. Phys.
153
,
205101
(
2020
).
24.
W.
Li
,
W.
Wang
, and
S.
Takada
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
111
,
10550
(
2014
).
25.
J. A.
Killian
,
Biochim. Biophys. Acta, Rev. Biomembr.
1376
,
401
(
1998
).
26.
G.
Nawrocki
,
W.
Im
,
Y.
Sugita
, and
M.
Feig
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
116
,
24562
(
2019
).
27.
G.
Singh
and
D. P.
Tieleman
,
J. Chem. Theory Comput.
7
,
2316
(
2011
).
28.
D. C.
Marx
and
K. G.
Fleming
,
J. Am. Chem. Soc.
143
,
764
(
2021
).
29.
G.
Babbi
,
C.
Savojardo
,
P. L.
Martelli
, and
R.
Casadio
,
Int. J. Mol. Sci.
22
,
2878
(
2021
).
30.
L.
Monticelli
,
S. K.
Kandasamy
,
X.
Periole
,
R. G.
Larson
,
D. P.
Tieleman
, and
S.-J.
Marrink
,
J. Chem. Theory Comput.
4
,
819
(
2008
).
31.
P. C. T.
Souza
,
R.
Alessandri
,
J.
Barnoud
,
S.
Thallmair
,
I.
Faustino
,
F.
Grünewald
,
I.
Patmanidis
,
H.
Abdizadeh
,
B. M. H.
Bruininks
,
T. A.
Wassenaar
,
P. C.
Kroon
,
J.
Melcr
,
V.
Nieto
,
V.
Corradi
,
H. M.
Khan
,
J.
Domański
,
M.
Javanainen
,
H.
Martinez-Seara
,
N.
Reuter
,
R. B.
Best
,
I.
Vattulainen
,
L.
Monticelli
,
X.
Periole
,
D. P.
Tieleman
,
A. H.
de Vries
, and
S. J.
Marrink
,
Nat. Methods
18
,
382
(
2021
).
32.
A.
Majumder
and
J. E.
Straub
,
J. Chem. Theory Comput.
17
,
2513
2521
(
2021
).
33.
K.
Tanaka
,
J. M. M.
Caaveiro
,
K.
Morante
,
J. M.
González-Manãs
, and
K.
Tsumoto
,
Nat. Commun.
6
,
6337
(
2015
).
34.
B. I.
Sejdiu
and
D. P.
Tieleman
,
Biophys. J.
118
,
1887
(
2020
).
35.
B. C.
Goh
,
H.
Wu
,
M. J.
Rynkiewicz
,
K.
Schulten
,
B. A.
Seaton
, and
F. X.
McCormack
,
Biochemistry
55
,
3692
(
2016
).
36.
F.
Fernandes
,
A.
Coutinho
,
M.
Prieto
, and
L. M. S.
Loura
,
Biochim. Biophys. Acta, Biomembr.
1848
,
1837
(
2015
).
37.
Y.
Gao
,
E.
Cao
,
D.
Julius
, and
Y.
Cheng
,
Nature
534
,
347
(
2016
).
38.
M. R.
Elkins
,
J. K.
Williams
,
M. D.
Gelenter
,
P.
Dai
,
B.
Kwon
,
I. V.
Sergeyev
,
B. L.
Pentelute
, and
M.
Hong
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
114
,
12946
(
2017
).
39.
M. A.
Lomize
,
I. D.
Pogozheva
,
H.
Joo
,
H. I.
Mosberg
, and
A. L.
Lomize
,
Nucleic Acids Res.
40
,
D370-6
(
2012
).
40.
Y. C.
Kim
and
G.
Hummer
,
J. Mol. Biol.
375
,
1416
(
2008
).
41.
M.
Waldman
and
A. T.
Hagler
,
J. Comput. Chem.
14
,
1077
(
1993
).
42.
H.
Kenzaki
,
N.
Koga
,
N.
Hori
,
R.
Kanada
,
W.
Li
,
K.-i.
Okazaki
,
X.-Q.
Yao
, and
S.
Takada
,
J. Chem. Theory Comput.
7
,
1979
(
2011
).
43.
See http://membrane.urmc.rochester.edu/wordpress/?page_id=126 for WHAM: The weighted histogram analysis method; accessed 1 February 2021.
44.
S.
Kumar
,
J. M.
Rosenberg
,
D.
Bouzida
,
R. H.
Swendsen
, and
P. A.
Kollman
,
J. Comput. Chem.
13
,
1011
(
1992
).
45.
S.
Özdirekcan
,
C.
Etchebest
,
J. A.
Killian
, and
P. F. J.
Fuchs
,
J. Am. Chem. Soc.
129
,
15174
(
2007
).
46.
A.
Ivetac
and
M. S. P.
Sansom
,
Eur. Biophys. J.
37
,
403
(
2008
).
47.
S.
Simm
,
J.
Einloft
,
O.
Mirus
, and
E.
Schleiff
,
Biol. Res.
49
,
31
(
2016
).
48.
D. M.
Engelman
,
T. A.
Steitz
, and
A.
Goldman
,
Ann Rev of Biophys Biophys Chem.
15
,
321
353
(
1986
).
49.
J. L.
MacCallum
,
W. F. D.
Bennett
, and
D. P.
Tieleman
,
Biophys. J.
94
,
3393
(
2008
).
50.
M. D.
Ward
,
S.
Nangia
, and
E. R.
May
,
J. Comput. Chem.
38
,
1462
(
2017
).
51.
T.
Zhang
,
J.
Liu
,
M.
Fellner
,
C.
Zhang
,
D.
Sui
, and
J.
Hu
,
Sci. Adv.
3
,
e1700344
(
2017
).
52.
A.
Šali
and
T. L.
Blundell
,
J. Mol. Biol.
234
,
779
(
1993
).
53.
B.
Wittenberg
,
J.
Wittenberg
, and
P.
Caldwell
,
J. Biol. Chem.
250
,
9038
(
1975
).
54.
M. M.
Teeter
and
W. A.
Hendrickson
,
J. Mol. Biol.
127
,
219
(
1979
).
55.
H.-C.
Ahn
,
N.
Juranić
,
S.
Macura
, and
J. L.
Markley
,
J. Am. Chem. Soc.
128
,
4398
(
2006
).
56.
S. J.
Marrink
,
V.
Corradi
,
P. C. T.
Souza
,
H. I.
Ingólfsson
,
D. P.
Tieleman
, and
M. S. P.
Sansom
,
Chem. Rev.
119
,
6184
(
2019
).
57.
S. J.
Marrink
,
H. J.
Risselada
,
S.
Yefimov
,
D. P.
Tieleman
, and
A. H.
de Vries
,
J. Phys. Chem. B
111
,
7812
(
2007
).
58.
W.
Shinoda
,
R.
DeVane
, and
M. L.
Klein
,
J. Phys. Chem. B
114
,
6836
(
2010
).
59.
H.
Noguchi
and
M.
Takasu
,
Phys. Rev. E
64
,
041913
(
2001
).
60.
J.
Drouffe
,
A.
Maggs
, and
S.
Leibler
,
Science
254
,
1353
(
1991
).
61.
H.
Noguchi
,
J. Chem. Phys.
134
,
055101
(
2011
).
62.
A. J.
De Jesus
and
T. W.
Allen
,
Biochim. Biophys. Acta, Biomembr.
1828
,
864
(
2013
).
63.
W.
Huang
and
D. G.
Levitt
,
Biophys. J.
17
,
111
(
1977
).
64.
W.
Lu
,
C.
Bueno
,
N. P.
Schafer
,
J.
Moller
,
S.
Jin
,
X.
Chen
,
M.
Chen
,
X.
Gu
,
A.
Davtyan
,
J. J.
de Pablo
, and
P. J.
Wolynes
,
PLoS Comput. Biol.
17
,
e1008380
(
2021
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.