NAMDis a molecular dynamics program designed for high-performance simulations of very large biological objects on CPU- and GPU-based architectures. NAMD offers scalable performance on petascale parallel supercomputers consisting of hundreds of thousands of cores, as well as on inexpensive commodity clusters commonly found in academic environments. It is written in C++ and leans on Charm++ parallel objects for optimal performance on low-latency architectures. NAMD is a versatile, multipurpose code that gathers state-of-the-art algorithms to carry out simulations in apt thermodynamic ensembles, using the widely popular CHARMM, AMBER, OPLS, and GROMOS biomolecular force fields. Here, we review the main features of NAMD that allow both equilibrium and enhanced-sampling molecular dynamics simulations with numerical efficiency. We describe the underlying concepts utilized by NAMD and their implementation, most notably for handling long-range electrostatics; controlling the temperature, pressure, and pH; applying external potentials on tailored grids; leveraging massively parallel resources in multiple-copy simulations; and hybrid quantum-mechanical/molecular-mechanical descriptions. We detail the variety of options offered by NAMD for enhanced-sampling simulations aimed at determining free-energy differences of either alchemical or geometrical transformations and outline their applicability to specific problems. Last, we discuss the roadmap for the development of NAMD and our current efforts toward achieving optimal performance on GPU-based architectures, for pushing back the limitations that have prevented biologically realistic billion-atom objects to be fruitfully simulated, and for making large-scale simulations less expensive and easier to set up, run, and analyze. NAMD is distributed free of charge with its source code at www.ks.uiuc.edu.

α-Hemolysin of Staphylococcus aureus is a self-assembling toxin that forms a water-filled transmembrane channel upon oligomerization in a lipid membrane. Apart from being one of the best-studied toxins of bacterial origin, α-hemolysin is the principal component in several biotechnological applications, including systems for controlled delivery of small solutes across lipid membranes, stochastic sensors for small solutes, and an alternative to conventional technology for DNA sequencing. Through large-scale molecular dynamics simulations, we studied the permeability of the α-hemolysin/lipid bilayer complex for water and ions. The studied system, composed of ∼300,000 atoms, included one copy of the protein, a patch of a DPPC lipid bilayer, and a 1 M water solution of KCl. Monitoring the fluctuations of the pore structure revealed an asymmetric, on average, cross section of the α-hemolysin stem. Applying external electrostatic fields produced a transmembrane ionic current; repeating simulations at several voltage biases yielded a current/voltage curve of α-hemolysin and a set of electrostatic potential maps. The selectivity of α-hemolysin to Cl− was found to depend on the direction and the magnitude of the applied voltage bias. The results of our simulations are in excellent quantitative agreement with available experimental data. Analyzing trajectories of all water molecule, we computed the α-hemolysin’s osmotic permeability for water as well as its electroosmotic effect, and characterized the permeability of its seven side channels. The side channels were found to connect seven His-144 residues surrounding the stem of the protein to the bulk solution; the protonation of these residues was observed to affect the ion conductance, suggesting the seven His-144 to comprise the pH sensor that gates conductance of the α-hemolysin channel.

The charge of a DNA molecule is a crucial parameter in many DNA detection and manipulation schemes such as gel electrophoresis and lab-on-a-chip applications. Here, we study the partial reduction of the DNA charge due to counterion binding by means of nanopore translocation experiments and all-atom molecular dynamics (MD) simulations. Surprisingly, we find that the translocation time of a DNA molecule through a solid-state nanopore strongly increases as the counterions decrease in size from K+ to Na+ to Li+, both for double-stranded DNA (dsDNA) and single-stranded DNA (ssDNA). MD simulations elucidate the microscopic origin of this effect: Li+ and Na+ bind DNA stronger than K+. These fundamental insights into the counterion binding to DNA also provide a practical method for achieving at least 10-fold enhanced resolution in nanopore applications.

Efforts to sequence single protein molecules in nanopores1–5 have been hampered by the lack of techniques with sufficient sensitivity to discern the subtle molecular differences among all twenty amino acids. Here we report ionic current detection of all twenty proteinogenic amino acids in an aerolysin nanopore with the help of a short polycationic carrier. Application of molecular dynamics simulations revealed that the aerolysin nanopore has a built-in single-molecule trap that fully confines a polycationic carrier-bound amino acid inside the sensing region of the aerolysin. This structural feature means that each amino acid spends sufficient time in the pore for sensitive measurement of the excluded volume of the amino acid. We show that distinct current blockades in wild-type aerolysin can be used to identify 13 of the 20 natural amino acids. Furthermore, we show that chemical modifications, instrumentation advances and nanopore engineering offer a route toward identification of the remaining seven amino acids. These findings may pave the way to nanopore protein sequencing. Individual amino acids fused to a highly charged heptapeptide are discriminated in an aerolysin nanopore.

We have previously demonstrated that a nanometer-diameter pore in a nanometer-thick metal-oxide-semiconductor-compatible membrane can be used as a molecular sensor for detecting DNA. The prospects for using this type of device for sequencing DNA are avidly being pursued. The key attribute of the sensor is the electric field-induced (voltage-driven) translocation of the DNA molecule in an electrolytic solution across the membrane through the nanopore. To complement ongoing experimental studies developing such pores and measuring signals in response to the presence of DNA, we conducted molecular dynamics simulations of DNA translocation through the nanopore. A typical simulated system included a patch of a silicon nitride membrane dividing water solution of potassium chloride into two compartments connected by the nanopore. External electrical fields induced capturing of the DNA molecules by the pore from the solution and subsequent translocation. Molecular dynamics simulations suggest that 20-basepair segments of double-stranded DNA can transit a nanopore of 2.2 × 2.6 nm2 cross section in a few microseconds at typical electrical fields. Hydrophobic interactions between DNA bases and the pore surface can slow down translocation of single-stranded DNA and might favor unzipping of double-stranded DNA inside the pore. DNA occluding the pore mouth blocks the electrolytic current through the pore; these current blockades were found to have the same magnitude as the blockade observed when DNA transits the pore. The feasibility of using molecular dynamics simulations to relate the level of the blocked ionic current to the sequence of DNA was investigated.

Atomic-scale modeling of compacted nucleic acids has the ability to reveal the inner workings of spectacular biomolecular machines, yet the outcome of such modeling efforts sensitively depends on the accuracy of the underlying computational models. Our molecular dynamics simulations of an array of 64 parallel duplex DNA revealed considerable artifacts of cation–DNA phosphate interactions in CHARMM and AMBER parameter sets: both the DNA arrangement and the pressure inside the DNA arrays were found to be in considerable disagreement with experiment. To improve the models, we fine-tuned van der Waals interaction parameters for specific ion pairs to reproduce experimental osmotic pressure of binary electrolyte solutions of biologically relevant ions. Repeating the DNA array simulations using our parameters produced results consistent with experiment. Our improved parametrization can be directly applied to molecular dynamics simulations of various charged biomolecular systems, including nucleic acids, proteins, and lipid bilayer membranes.

Reading amino acids by nanopore Nanopore technology enables sensing of minute chemical changes at the single-molecule level by detecting differences in an ion current as molecules are drawn through a membrane-embedded pore. The sensitivity is sufficient to discriminate between nucleotide bases in nanopore sequencing, and other applications of this technology are promising. Brinkerhoff et al . developed a nanopore-based, single-molecule approach in which a protein was sequentially scanned in single-amino-acid steps through the narrow construction of a nanopore, and ion currents were monitored to resolve differences in the amino acid sequence along the peptide backbone (see the Perspective by Bošković and Keyser). The peptide reader was capable of reliably detecting single-amino-acid substitutions within individual peptides. An individual protein could be re-read many times, yielding very high read accuracy in variant identification. These proof-of-concept nanopore experiments constitute a promising basis for the development of a single-molecule protein sequencer. —DJ

Using all-atom molecular dynamics and atomic-resolution Brownian dynamics, we simulate the translocation of single-stranded DNA through graphene nanopores and characterize the ionic current blockades produced by DNA nucleotides. We find that transport of single DNA strands through graphene nanopores may occur in single nucleotide steps. For certain pore geometries, hydrophobic interactions with the graphene membrane lead to a dramatic reduction in the conformational fluctuations of the nucleotides in the nanopores. Furthermore, we show that ionic current blockades produced by different DNA nucleotides are, in general, indicative of the nucleotide type, but very sensitive to the orientation of the nucleotides in the nanopore. Taken together, our simulations suggest that strand sequencing of DNA by measuring the ionic current blockades in graphene nanopores may be possible, given that the conformation of DNA nucleotides in the nanopore can be controlled through precise engineering of the nanopore surface.

Abstract Cytosine can undergo modifications, forming 5-methylcytosine (5-mC) and its oxidized products 5-hydroxymethylcytosine (5-hmC), 5-formylcytosine (5-fC) and 5-carboxylcytosine (5-caC). Despite their importance as epigenetic markers and as central players in cellular processes, it is not well understood how these modifications influence physical properties of DNA and chromatin. Here we report a comprehensive survey of the effect of cytosine modifications on DNA flexibility. We find that even a single copy of 5-fC increases DNA flexibility markedly. 5-mC reduces and 5-hmC enhances flexibility, and 5-caC does not have a measurable effect. Molecular dynamics simulations show that these modifications promote or dampen structural fluctuations, likely through competing effects of base polarity and steric hindrance, without changing the average structure. The increase in DNA flexibility increases the mechanical stability of the nucleosome and vice versa, suggesting a gene regulation mechanism where cytosine modifications change the accessibility of nucleosomal DNA through their effects on DNA flexibility.

DNA nanotechnology allows for the creation of three-dimensional structures at nanometer scale. Here, we use DNA to build the largest synthetic pore in a lipid membrane to date, approaching the dimensions of the nuclear pore complex and increasing the pore-area and the conductance 10-fold compared to previous man-made channels. In our design, 19 cholesterol tags anchor a megadalton funnel-shaped DNA origami porin in a lipid bilayer membrane. Confocal imaging and ionic current recordings reveal spontaneous insertion of the DNA porin into the lipid membrane, creating a transmembrane pore of tens of nanosiemens conductance. All-atom molecular dynamics simulations characterize the conductance mechanism at the atomic level and independently confirm the DNA porins' large ionic conductance.