We present an improved and extended version of our coarse grained lipid model. The new version, coined the MARTINI force field, is parametrized in a systematic way, based on the reproduction of partitioning free energies between polar and apolar phases of a large number of chemical compounds. To reproduce the free energies of these chemical building blocks, the number of possible interaction levels of the coarse-grained sites has increased compared to those of the previous model. Application of the new model to lipid bilayers shows an improved behavior in terms of the stress profile across the bilayer and the tendency to form pores. An extension of the force field now also allows the simulation of planar (ring) compounds, including sterols. Application to a bilayer/cholesterol system at various concentrations shows the typical cholesterol condensation effect similar to that observed in all atom representations.

Many biologically interesting phenomena occur on a time scale that is too long to be studied by atomistic simulations. These phenomena include the dynamics of large proteins and self-assembly of biological materials. Coarse-grained (CG) molecular modeling allows computer simulations to be run on length and time scales that are 2-3 orders of magnitude larger compared to atomistic simulations, providing a bridge between the atomistic and the mesoscopic scale. We developed a new CG model for proteins as an extension of the MARTINI force field. Here, we validate the model for its use in peptide-bilayer systems. In order to validate the model, we calculated the potential of mean force for each amino acid as a function of its distance from the center of a dioleoylphosphatidylcholine (DOPC) lipid bilayer. We then compared amino acid association constants, the partitioning of a series of model pentapeptides, the partitioning and orientation of WALP23 in DOPC lipid bilayers and a series of KALP peptides in dimyristoylphosphatidylcholine and dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC) bilayers. A comparison with results obtained from atomistic models shows good agreement in all of the tests performed. We also performed a systematic investigation of the partitioning of five series of polyalanine-leucine peptides (with different lengths and compositions) in DPPC bilayers. As expected, the fraction of peptides partitioned at the interface increased with decreasing peptide length and decreasing leucine content, demonstrating that the CG model is capable of discriminating partitioning behavior arising from subtle differences in the amino acid composition. Finally, we simulated the concentration-dependent formation of transmembrane pores by magainin, an antimicrobial peptide. In line with atomistic simulation studies, disordered toroidal pores are formed. In conclusion, the model is computationally efficient and effectively reproduces peptide-lipid interactions and the partitioning of amino acids and peptides in lipid bilayers.

This paper describes the parametrization of a new coarse grained (CG) model for lipid and surfactant systems. Reduction of the number of degrees of freedom together with the use of short range potentials makes it computationally very efficient. Compared to atomistic models a gain of 3−4 orders of magnitude can be achieved. Micrometer length scales or millisecond time scales are therefore within reach. To encourage applications, the model is kept very simple. Only a small number of coarse grained atom types are defined, which interact using a few discrete levels of interaction. Despite the computational speed and the simplistic nature of the model, it proves to be both versatile in its applications and accurate in its predictions. We show that densities of liquid alkanes from decane up to eicosane can be reproduced to within 5%, and the mutual solubilities of alkanes in water and water in alkanes can be reproduced within 0.5 kT of the experimental values. The CG model for dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC) is shown to aggregate spontaneously into a bilayer. Structural properties such as the area per headgroup and the phosphate−phosphate distance match the experimentally measured quantities closely. The same is true for elastic properties such as the bending modulus and the area compressibility, and dynamic properties such as the lipid lateral diffusion coefficient and the water permeation rate. The distribution of the individual lipid components along the bilayer normal is very similar to distributions obtained from atomistic simulations. Phospholipids with different headgroup (ethanolamine) or different tail lengths (lauroyl, stearoyl) or unsaturated tails (oleoyl) can also be modeled with the CG force field. The experimental area per headgroup can be reproduced for most lipids within 0.02 nm2. Finally, the CG model is applied to nonbilayer phases. Dodecylphosphocholine (DPC) aggregates into small micelles that are structurally very similar to ones modeled atomistically, and DOPE forms an inverted hexagonal phase with structural parameters in agreement with experimental data.

The Martini coarse-grained force field has been successfully used for simulating a wide range of (bio)molecular systems. Recent progress in our ability to test the model against fully atomistic force fields, however, has revealed some shortcomings. Most notable, phenylalanine and proline were too hydrophobic, and dimers formed by polar residues in apolar solvents did not bind strongly enough. Here, we reparametrize these residues either through reassignment of particle types or by introducing embedded charges. The new parameters are tested with respect to partitioning across a lipid bilayer, membrane binding of Wimley-White peptides, and dimerization free energy in solvents of different polarity. In addition, we improve some of the bonded terms in the Martini protein force field that lead to a more realistic length of α-helices and to improved numerical stability for polyalanine and glycine repeats. The new parameter set is denoted Martini version 2.2.

For simulations of membranes and membrane proteins, the generation of the lipid bilayer is a critical step in the setup of the system. Membranes comprising multiple components pose a particular challenge, because the relative abundances need to be controlled and the equilibration of the system may take several microseconds. Here we present a comprehensive method for building membrane containing systems, characterized by simplicity and versatility. The program uses preset, coarse-grain lipid templates to build the membrane, and also allows on-the-fly generation of simple lipid types by specifying the headgroup, linker, and lipid tails on the command line. The resulting models can be equilibrated, after which a relaxed atomistic model can be obtained by reverse transformation. For multicomponent membranes, this provides an efficient means for generating equilibrated atomistic models. The method is called insane, an acronym for INSert membrANE. The program has been made available, together with the complementary method for reverse transformation, at http://cgmartini.nl/ . This work highlights the key features of insane and presents a survey of properties for a large range of lipids as a start of a computational lipidomics project.

Coarse-grained (CG) simulations have become an essential tool to study a large variety of biomolecular processes, exploring temporal and spatial scales inaccessible to traditional models of atomistic resolution. One of the major simplifications of CG models is the representation of the solvent, which is either implicit or modeled explicitly as a van der Waals particle. The effect of polarization, and thus a proper screening of interactions depending on the local environment, is absent. Given the important role of water as a ubiquitous solvent in biological systems, its treatment is crucial to the properties derived from simulation studies. Here, we parameterize a polarizable coarse-grained water model to be used in combination with the CG MARTINI force field. Using a three-bead model to represent four water molecules, we show that the orientational polarizability of real water can be effectively accounted for. This has the consequence that the dielectric screening of bulk water is reproduced. At the same time, we parameterized our new water model such that bulk water density and oil/water partitioning data remain at the same level of accuracy as for the standard MARTINI force field. We apply the new model to two cases for which current CG force fields are inadequate. First, we address the transport of ions across a lipid membrane. The computed potential of mean force shows that the ions now naturally feel the change in dielectric medium when moving from the high dielectric aqueous phase toward the low dielectric membrane interior. In the second application we consider the electroporation process of both an oil slab and a lipid bilayer. The electrostatic field drives the formation of water filled pores in both cases, following a similar mechanism as seen with atomistically detailed models.

The detailed organization of cellular membranes remains rather elusive. Based on large-scale molecular dynamics simulations, we provide a high-resolution view of the lipid organization of a plasma membrane at an unprecedented level of complexity. Our plasma membrane model consists of 63 different lipid species, combining 14 types of headgroups and 11 types of tails asymmetrically distributed across the two leaflets, closely mimicking an idealized mammalian plasma membrane. We observe an enrichment of cholesterol in the outer leaflet and a general non-ideal lateral mixing of the different lipid species. Transient domains with liquid-ordered character form and disappear on the microsecond time scale. These domains are coupled across the two membrane leaflets. In the outer leaflet, distinct nanodomains consisting of gangliosides are observed. Phosphoinositides show preferential clustering in the inner leaflet. Our data provide a key view on the lateral organization of lipids in one of life's fundamental structures, the cell membrane.

The coarse-grained Martini force field is widely used in biomolecular simulations. Here we present the refined model, Martini 3 ( http://cgmartini.nl ), with an improved interaction balance, new bead types and expanded ability to include specific interactions representing, for example, hydrogen bonding and electronic polarizability. The updated model allows more accurate predictions of molecular packing and interactions in general, which is exemplified with a vast and diverse set of applications, ranging from oil/water partitioning and miscibility data to complex molecular systems, involving protein–protein and protein–lipid interactions and material science applications as ionic liquids and aedamers. Martini 3.0 is an updated and reparametrized force field for coarse-grained molecular dynamics simulations with new bead types and an expanded ability to model molecular packing and interactions.

ADVERTISEMENT RETURN TO ISSUEPREVArticleNEXTSimulation of water transport through a lipid membraneSiewert-Jan Marrink and Herman J. C. BerendsenCite this: J. Phys. Chem. 1994, 98, 15, 4155–4168Publication Date (Print):April 1, 1994Publication History Published online1 May 2002Published inissue 1 April 1994https://pubs.acs.org/doi/10.1021/j100066a040https://doi.org/10.1021/j100066a040research-articleACS PublicationsRequest reuse permissionsArticle Views4437Altmetric-Citations704LEARN ABOUT THESE METRICSArticle Views are the COUNTER-compliant sum of full text article downloads since November 2008 (both PDF and HTML) across all institutions and individuals. These metrics are regularly updated to reflect usage leading up to the last few days.Citations are the number of other articles citing this article, calculated by Crossref and updated daily. Find more information about Crossref citation counts.The Altmetric Attention Score is a quantitative measure of the attention that a research article has received online. Clicking on the donut icon will load a page at altmetric.com with additional details about the score and the social media presence for the given article. Find more information on the Altmetric Attention Score and how the score is calculated. Share Add toView InAdd Full Text with ReferenceAdd Description ExportRISCitationCitation and abstractCitation and referencesMore Options Share onFacebookTwitterWechatLinked InRedditEmail Other access options Get e-Alerts

The conversion of coarse-grained to atomistic models is an important step in obtaining insight about atomistic scale processes from coarse-grained simulations. For this process, called backmapping or reverse transformation, several tools are available, but these commonly require libraries of molecule fragments or they are linked to a specific software package. In addition, the methods are usually restricted to specific molecules and to a specific force field. Here, we present an alternative method, consisting of geometric projection and subsequent force-field based relaxation. This method is designed to be simple and flexible, and offers a generic solution for resolution transformation. For simple systems, the conversion only requires a list of particle correspondences on the two levels of resolution. For special cases, such as nondefault protonation states of amino acids and virtual sites, a target particle list can be specified. The mapping uses simple building blocks, which list the particles on the different levels of resolution. For conversion to higher resolution, the initial model is relaxed with several short cycles of energy minimization and position-restrained MD. The reconstruction of an atomistic backbone from a coarse-grained model is done using a new dedicated algorithm. The method is generic and can be used to map between any two particle based representations, provided that a mapping can be written. The focus of this work is on the coarse-grained MARTINI force field, for which mapping definitions are written to allow conversion to and from the higher-resolution force fields GROMOS, CHARMM, and AMBER, and to and from a simplified three-bead lipid model. Together, these offer the possibility to simulate mesoscopic membrane structures, to be transformed to MARTINI and subsequently to an atomistic model for investigation of detailed interactions. The method was tested on a set of systems ranging from a simple, single-component bilayer to a large protein-membrane-solvent complex. The results demonstrate the efficiency and the efficacy of the new approach.