Coarse-grained (CG) molecular dynamics can be a powerful method for probing complex processes. However, most CG force fields use pairwise nonbonded interaction potentials sets, which can limit their ability to capture complex multi-body phenomena such as the hydrophobic effect. As the hydrophobic effect primarily manifests itself due to the nonpolar solute affecting the nearby hydrogen bonding network in water, capturing such effects using a simple one CG site or “bead” water model is a challenge. In this work, we systematically test the ability of CG one site water models for capturing critical features of the solvent environment around a hydrophobe as well as the potential of mean force (PMF) of neopentane association. We study two bottom-up models: a simple pairwise (SP) force-matched water model constructed using the multiscale coarse-graining method and the Bottom-Up Many-Body Projected Water (BUMPer) model, which has implicit three-body correlations. We also test the top-down monatomic (mW) and the Machine Learned mW (ML-mW) water models. The mW models perform well in capturing structural correlations but not the energetics of the PMF. BUMPer outperforms SP in capturing structural correlations and also gives an accurate PMF in contrast to the two mW models. Our study highlights the importance of including three-body interactions in CG water models, either explicitly or implicitly, while in general highlighting the applicability of bottom-up CG water models for studying hydrophobic effects in a quantitative fashion. This assertion comes with a caveat, however, regarding the accuracy of the enthalpy–entropy decomposition of the PMF of hydrophobe association.

1.
J.
Jin
,
A. J.
Pak
,
A. E. P.
Durumeric
,
T. D.
Loose
, and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Theory Comput.
18
,
5759
(
2022
).
2.
M. G.
Saunders
and
G. A.
Voth
,
Annu. Rev. Biophys.
42
,
73
(
2013
).
3.
W. G.
Noid
,
J. Chem. Phys.
139
,
090901
(
2013
).
4.
S.
Dhamankar
and
M. A.
Webb
,
J. Polym. Sci.
59
,
2613
(
2021
).
5.
P. C. T.
Souza
,
R.
Alessandri
,
J.
Barnoud
,
S.
Thallmair
,
I.
Faustino
,
F.
Grunewald
,
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
).
6.
S. J.
Marrink
,
H. J.
Risselada
,
S.
Yefimov
,
D. P.
Tieleman
, and
A. H.
de Vries
,
J. Phys. Chem. B
111
,
7812
(
2007
).
7.
Z.
Jarin
,
J.
Newhouse
, and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Theory Comput.
17
,
1170
(
2021
).
8.
S.
Izvekov
and
G. A.
Voth
,
J. Phys. Chem. B
109
,
2469
(
2005
).
9.
S.
Izvekov
and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Phys.
123
,
134105
(
2005
).
10.
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
).
11.
W. G.
Noid
,
P.
Liu
,
Y.
Wang
,
J. W.
Chu
,
G. S.
Ayton
,
S.
Izvekov
,
H. C.
Andersen
, and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Phys.
128
,
244115
(
2008
).
12.
D.
Reith
,
M.
Putz
, and
F.
Muller-Plathe
,
J. Comput. Chem.
24
,
1624
(
2003
).
13.
A. P.
Lyubartsev
and
A.
Laaksonen
,
Phys. Rev. E
52
,
3730
(
1995
).
14.
M. S.
Shell
,
J. Chem. Phys.
129
,
144108
(
2008
).
15.
A.
Chaimovich
and
M. S.
Shell
,
J. Chem. Phys.
134
,
094112
(
2011
).
16.
J.
Wang
,
S.
Olsson
,
C.
Wehmeyer
,
A.
Perez
,
N. E.
Charron
,
G.
de Fabritiis
,
F.
Noe
, and
C.
Clementi
,
ACS Cent. Sci.
5
,
755
(
2019
).
17.
H.
Chan
,
M. J.
Cherukara
,
B.
Narayanan
,
T. D.
Loeffler
,
C.
Benmore
,
S. K.
Gray
, and
S. K. R. S.
Sankaranarayanan
,
Nat. Commun.
10
,
379
(
2019
).
18.
P.
Gkeka
,
G.
Stoltz
,
A.
Barati Farimani
,
Z.
Belkacemi
,
M.
Ceriotti
,
J. D.
Chodera
,
A. R.
Dinner
,
A. L.
Ferguson
,
J. B.
Maillet
,
H.
Minoux
,
C.
Peter
,
F.
Pietrucci
,
A.
Silveira
,
A.
Tkatchenko
,
Z.
Trstanova
,
R.
Wiewiora
, and
T.
Lelievre
,
J. Chem. Theory Comput.
16
,
4757
(
2020
).
19.
A. E. P.
Durumeric
and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Phys.
151
,
124110
(
2019
).
20.
J.
Wang
,
N.
Charron
,
B.
Husic
,
S.
Olsson
,
F.
Noe
, and
C.
Clementi
,
J. Chem. Phys.
154
,
164113
(
2021
).
21.
D.
Dhabal
,
S.
Sankaranarayanan
, and
V.
Molinero
,
J. Phys. Chem. B
126
,
9881
(
2022
).
22.
D.
Dhabal
and
V.
Molinero
,
J. Phys. Chem. B
127
,
2847
(
2023
).
23.
F. G.
Mattioli
,
F.
Sciortino
, and
J.
Russo
,
J. Chem. Phys.
158
,
104501
(
2023
).
24.
A. E. P.
Durumeric
,
N. E.
Charron
,
C.
Templeton
,
F.
Musil
,
K.
Bonneau
,
A. S.
Pasos-Trejo
,
Y.
Chen
,
A.
Kelkar
,
F.
Noe
, and
C.
Clementi
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
79
,
102533
(
2023
).
25.
P. G.
Sahrmann
,
T. D.
Loose
,
A. E. P.
Durumeric
, and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Theory Comput.
19
,
4402
(
2023
).
26.
L.
Larini
,
L.
Lu
, and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Phys.
132
,
164107
(
2010
).
27.
B.
Kronberg
,
M.
Castas
, and
R.
Silvestonti
,
J. Disper. Sci. Technol.
15
,
333
(
1994
).
28.
B.
Kronberg
,
Curr. Opin. Colloid Interface Sci.
22
,
14
(
2016
).
30.
D.
March
,
V.
Bianco
, and
G.
Franzese
,
Polymers
13
,
156
(
2021
).
31.
32.
X.
Huang
,
C. J.
Margulis
, and
B. J.
Berne
,
J. Phys. Chem. B
107
,
11742
(
2003
).
33.
R.
Zangi
and
B. J.
Berne
,
J. Phys. Chem. B
112
,
8634
(
2008
).
34.
K.
Lum
,
D.
Chandler
, and
J. D.
Weeks
,
J. Phys. Chem. B
103
,
4570
(
1999
).
35.
N.
Choudhury
and
B. M.
Pettitt
,
J. Phys. Chem. B
110
,
8459
(
2006
).
36.
G.
Graziano
,
J. Chem. Soc., Faraday Trans.
94
,
3345
(
1998
).
37.
N.
Choudhury
and
B. M.
Pettitt
,
J. Am. Chem. Soc.
127
,
3556
(
2005
).
38.
D. M.
Huang
and
D.
Chandler
,
J. Phys. Chem. B
106
,
2047
(
2002
).
39.
M.
Bogunia
and
M.
Makowski
,
J. Phys. Chem. B
124
,
10326
(
2020
).
40.
R.
Sarma
and
S.
Paul
,
J. Chem. Phys.
136
,
114510
(
2012
).
41.
M.
Rigby
and
J. M.
Prausnitz
,
J. Phys. Chem.
72
,
330
(
1968
).
42.
A. H.
Narten
and
H. A.
Levy
,
J. Chem. Phys.
55
,
2263
(
1971
).
43.
I. M.
Abdulagatov
,
A. R.
Bazaev
, and
A. E.
Ramazanova
,
J. Chem. Thermodyn.
25
,
249
(
1993
).
44.
B. M.
Rankin
,
D.
Ben-Amotz
,
S. T.
van der Post
, and
H. J.
Bakker
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
688
(
2015
).
45.
A. A.
Bakulin
,
M. S.
Pshenichnikov
,
H. J.
Bakker
, and
C.
Petersen
,
J. Phys. Chem. A
115
,
1821
(
2011
).
46.
J.
Tomlinson-Phillips
,
J.
Davis
,
D.
Ben-Amotz
,
D.
Spangberg
,
L.
Pejov
, and
K.
Hermansson
,
J. Phys. Chem. A
115
,
6177
(
2011
).
47.
G.
Hummer
,
S.
Garde
,
A. E.
Garcia
,
M. E.
Paulaitis
, and
L. R.
Pratt
,
J. Phys. Chem. B
102
,
10469
(
1998
).
48.
M. K.
Coe
,
R.
Evans
, and
N. B.
Wilding
,
Phys. Rev. Lett.
128
,
045501
(
2022
).
49.
J. H.
Griffith
and
H. A.
Scheraga
,
J. Mol. Struct.: THEOCHEM
682
,
97
(
2004
).
50.
E.
Gallicchio
,
M. M.
Kubo
, and
R. M.
Levy
,
J. Phys. Chem. B
104
,
6271
(
2000
).
51.
S.
Garde
,
G.
Hummer
, and
M. E.
Paulaitis
,
Faraday Discuss.
103
,
125
(
1996
).
52.
H. S.
Ashbaugh
and
L. R.
Pratt
,
Rev. Mod. Phys.
78
,
159
(
2006
).
53.
T.
Lazaridis
,
J. Phys. Chem. B
104
,
4964
(
2000
).
54.
D.
Paschek
,
J. Chem. Phys.
120
,
10605
(
2004
).
55.
E.
Sobolewski
,
M.
Makowski
,
C.
Czaplewski
,
A.
Liwo
,
S.
Ołdziej
, and
H. A.
Scheraga
,
J. Phys. Chem. B
111
,
10765
(
2007
).
56.
P.
Setny
,
R.
Baron
, and
J. A.
McCammon
,
J. Chem. Theory Comput.
6
,
2866
(
2010
).
57.
M.
Schauperl
,
M.
Podewitz
,
B. J.
Waldner
, and
K. R.
Liedl
,
J. Chem. Theory Comput.
12
,
4600
(
2016
).
58.
A.
Das
and
H. C.
Andersen
,
J. Chem. Phys.
131
,
034102
(
2009
).
59.
L.
Lu
,
S.
Izvekov
,
A.
Das
,
H. C.
Andersen
, and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Theory Comput.
6
,
954
(
2010
).
60.
J.
Jin
,
Y.
Han
,
A. J.
Pak
, and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Phys.
154
,
044104
(
2021
).
61.
M. E.
Tuckerman
,
Statistical Mechanics: Theory and Molecular Simulation
(
Oxford University Press
,
New York
,
2010
).
62.
D.
Chandler
and
D.
Wu
,
Introduction to Modern Statistical Mechanics
(
Oxford University Press
,
New York
,
1987
).
63.
G. R.
Medders
,
V.
Babin
, and
F.
Paesani
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
1103
(
2013
).
64.
G. A.
Cisneros
,
K. T.
Wikfeldt
,
L.
Ojamae
,
J. B.
Lu
,
Y.
Xu
,
H.
Torabifard
,
A. P.
Bartok
,
G.
Csanyi
,
V.
Molinero
, and
F.
Paesani
,
Chem. Rev.
116
,
7501
(
2016
).
65.
A.
Das
and
H. C.
Andersen
,
J. Chem. Phys.
136
,
194114
(
2012
).
66.
V.
Molinero
and
E. B.
Moore
,
J. Phys. Chem. B
113
,
4008
(
2008
).
67.
J.
Jin
,
Y.
Han
,
A. J.
Pak
, and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Phys.
154
,
044105
(
2021
).
68.
W. G.
Noid
,
J. W.
Chu
,
G. S.
Ayton
, and
G. A.
Voth
,
J. Phys. Chem. B
111
,
4116
(
2007
).
69.
J. F.
Dama
,
A. V.
Sinitskiy
,
M.
McCullagh
,
J.
Weare
,
B.
Roux
,
A. R.
Dinner
, and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
2466
(
2013
).
70.
J.
Jin
,
Y. N.
Han
, and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Theory Comput.
14
,
6159
(
2018
).
71.
J.
Jin
and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Theory Comput.
14
,
2180
(
2018
).
72.
J.
Jin
,
Y. N.
Han
, and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Phys.
150
,
154103
(
2019
).
73.
A. J.
Pak
,
T.
Dannenhoffer-Lafage
,
J. J.
Madsen
, and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Theory Comput.
15
,
2087
(
2019
).
74.
A. J.
Rzepiela
,
M.
Louhivuori
,
C.
Peter
, and
S. J.
Marrink
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
10437
(
2011
).
75.
L.
Lu
,
J. F.
Dama
, and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Phys.
139
,
121906
(
2013
).
76.
L.
Lu
and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Phys.
134
,
224107
(
2011
).
77.
J. W.
Wagner
,
J. F.
Dama
,
A. E.
Durumeric
, and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Phys.
145
,
044108
(
2016
).
78.
B.
Song
and
V.
Molinero
,
J. Chem. Phys.
139
,
054511
(
2013
).
79.
Y. J.
Wu
,
H. L.
Tepper
, and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Phys.
124
,
024503
(
2006
).
80.
W. L.
Jorgensen
,
D. S.
Maxwell
, and
J.
TiradoRives
,
J. Am. Chem. Soc.
118
,
11225
(
1996
).
81.
M. P.
Allen
and
D. J.
Tildesley
,
Computer Simulation of Liquids
(
Oxford University Press
,
New York
,
1987
).
82.
R. W.
Hockney
and
J. W.
Eastwood
,
Computer Simulation Using Particles
, Repr. ed. (
Institute of Physics Publishing
,
Bristol
,
1989
).
83.
M.
Deserno
and
C.
Holm
,
J. Chem. Phys.
109
,
7694
(
1998
).
84.
L.
Martinez
,
R.
Andrade
,
E. G.
Birgin
, and
J. M.
Martinez
,
J. Comput. Chem.
30
,
2157
(
2009
).
85.
M. D.
Hanwell
,
D. E.
Curtis
,
D. C.
Lonie
,
T.
Vandermeersch
,
E.
Zurek
, and
G. R.
Hutchison
,
J. Cheminf.
4
,
17
(
2012
).
86.
W.
Humphrey
,
A.
Dalke
, and
K.
Schulten
,
J. Mol. Graph.
14
,
33
(
1996
).
87.
A. P.
Thompson
,
H. M.
Aktulga
,
R.
Berger
,
D. S.
Bolintineanu
,
W. M.
Brown
,
P. S.
Crozier
,
P. J.
in 't Veld
,
A.
Kohlmeyer
,
S. G.
Moore
,
T. D.
Nguyen
,
R.
Shan
,
M. J.
Stevens
,
J.
Tranchida
,
C.
Trott
, and
S. J.
Plimpton
,
Comput. Phys. Commun.
271
,
108171
(
2022
).
88.
Y.
Peng
,
A. J.
Pak
,
A. E. P.
Durumeric
,
P. G.
Sahrmann
,
S.
Mani
,
J.
Jin
,
T. D.
Loose
,
J.
Beiter
, and
G. A.
Voth
,
J. Phys. Chem.
127
,
8537
(
2023
).
89.
G. M.
Torrie
and
J. P.
Valleau
,
J. Comput. Phys.
23
,
187
(
1977
).
90.
S.
Kumar
,
J. M.
Rosenberg
,
D.
Bouzida
,
R. H.
Swendsen
, and
P. A.
Kollman
,
J. Comput. Chem.
13
,
1011
(
1992
).
91.
93.
M.
Bonomi
,
D.
Branduardi
,
G.
Bussi
,
C.
Camilloni
,
D.
Provasi
,
P.
Raiteri
,
D.
Donadio
,
F.
Marinelli
,
F.
Pietrucci
,
R. A.
Broglia
, and
M.
Parrinello
,
Comput. Phys. Commun.
180
,
1961
(
2009
).
94.
M.
Bonomi
,
G.
Bussi
,
C.
Camilloni
,
G. A.
Tribello
,
P.
Banas
,
A.
Barducci
,
M.
Bernetti
,
P. G.
Bolhuis
,
S.
Bottaro
,
D.
Branduardi
,
R.
Capelli
,
P.
Carloni
,
M.
Ceriotti
,
A.
Cesari
,
H. C.
Chen
,
W.
Chen
,
F.
Colizzi
,
S.
De
,
M.
De La Pierre
,
D.
Donadio
,
V.
Drobot
,
B.
Ensing
,
A. L.
Ferguson
,
M.
Filizola
,
J. S.
Fraser
,
H. H.
Fu
,
P.
Gasparotto
,
F. L.
Gervasio
,
F.
Giberti
,
A.
Gil-Ley
,
T.
Giorgino
,
G. T.
Heller
,
G. M.
Hocky
,
M.
Iannuzzi
,
M.
Invernizzi
,
K. E.
Jelfs
,
A.
Jussupow
,
E.
Kirilin
,
A.
Laio
,
V.
Limongelli
,
K.
Lindorff-Larsen
,
T.
Lohr
,
F.
Marinelli
,
L.
Martin-Samos
,
M.
Masetti
,
R.
Meyer
,
A.
Michaelides
,
C.
Molteni
,
T.
Morishita
,
M.
Nava
,
C.
Paissoni
,
E.
Papaleo
,
M.
Parrinello
,
J.
Pfaendtner
,
P.
Piaggi
,
G.
Piccini
,
A.
Pietropaolo
,
F.
Pietrucci
,
S.
Pipolo
,
D.
Provasi
,
D.
Quigley
,
P.
Raiteri
,
S.
Raniolo
,
J.
Rydzewski
,
M.
Salvalaglio
,
G. C.
Sosso
,
V.
Spiwok
,
J.
Sponer
,
D. W. H.
Swenson
,
P.
Tiwary
,
O.
Valsson
,
M.
Vendruscolo
,
G. A.
Voth
, and
A.
White
,
Nat. Methods
16
,
670
(
2019
).
95.
M.
Lauricella
,
S.
Meloni
, and
G.
Ciccotti
,
J. Chem. Phys.
158
,
164501
(
2023
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.