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.

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.

Electrostatic interactions govern structural and dynamical properties of membranes and can vary considerably with the composition of the aqueous buffer. We studied the influence of sodium chloride on a pure POPC lipid bilayer by fluorescence correlation spectroscopy experiments and molecular dynamics simulations. Increasing sodium chloride concentration was found to decrease the self-diffusion of POPC lipids within the bilayer. Self-diffusion coefficients calculated from the 100 ns simulations agree with those measured on a millisecond timescale, suggesting that most of the relaxation processes relevant for lipid diffusion are faster than the simulation timescale. As the dominant effect, the molecular dynamics simulations revealed a tight binding of sodium ions to the carbonyl oxygens of on average three lipids leading to larger complexes with reduced mobility. Additionally, the bilayer thickens by ∼2 Å, which increases the order parameter of the fatty acyl chains. Sodium binding alters the electrostatic potential, which is largely compensated by a changed polarization of the aqueous medium and a lipid dipole reorientation.

The all-atom optimized potentials for liquid simulations (OPLS-AA) force field is a popular force field for simulating biomolecules. However, the current OPLS parameters for hydrocarbons developed using short alkanes cannot reproduce the liquid properties of long alkanes in molecular dynamics simulations. Therefore, the extension of OPLS-AA to (phospho)lipid molecules required for the study of biological membranes was hampered in the past. Here, we optimized the OPLS-AA force field for both short and long hydrocarbons. Following the framework of the OPLS-AA parametrization, we refined the torsional parameters for hydrocarbons by fitting to the gas-phase ab initio energy profiles calculated at the accurate MP2/aug-cc-pVTZ theory level. Additionally, the depth of the Lennard-Jones potential for methylene hydrogen atoms was adjusted to reproduce the densities and the heats of vaporization of alkanes and alkenes of different lengths. Optimization of partial charges finally allowed to reproduce the gel-to-liquid-phase transition temperature for pentadecane and solvation free energies. It is shown that the optimized parameter set (L-OPLS) yields improved hydrocarbon diffusion coefficients, viscosities, and gauche-trans ratios. Moreover, its applicability for lipid bilayer simulations is shown for a GMO bilayer in its liquid-crystalline phase.

Abstract Fertility rates in the developing world have dramatically dropped in the last decades. This drop is likely due to a decline in sperm quality and women having children at older ages. Loss of function mutations in DJ-1 , a Parkinson’s associated gene, are linked to alterations in multiple cellular processes such as mitochondrial activity, ROS production or sperm motility and lead to an early onset of Parkinson’s disease and male infertility in humans and other species. Glycolate (GA) and D-lactate (DL), products of DJ-1 glyoxalase activity, sustain mitochondrial function and protect against environmental aggressions. We, therefore, tested whether these substances could also have a rescue effect on these phenotypes. Here, we show that DJ-1 loss of function not only affects sperm motility but also leads to defects in mitosis and an age-dependent increase in the abortion rate. Remarkably, whereas DL was only able to rescue embryonic lethality in C. elegans , GA rescued these phenotypes in all model systems tested and even increased sperm motility in wild-type sperm. These positive effects seem to be mediated through an increase in NAD(P)H production and the regulation of intracellular calcium. These findings not only strongly suggest GA as a new therapeutic candidate to improve male and female fertility but also show its potential to treat diseases associated with a decline in mitochondrial function or to improve mitochondrial function in aging.

The inhibitory Fcγ receptor FcγRIIb is involved in immune regulation and is known to localize to specific regions of the plasma membrane called lipid rafts. Previous studies suggested a link between the altered lateral receptor localization within the plasma membrane and the functional impairment of the FcγRIIb-I232T variant that is associated with systemic lupus erythematosus. Here, we conducted microsecond all-atom molecular dynamics simulations and IgG binding assays to investigate the lipid nano-environment of FcγRIIb monomers and of the FcγRIIb-I232T mutant within a plasma membrane model, the orientation of the FcγRIIb ectodomain, and its accessibility to IgG ligands. In contrast to previously proposed models, our simulations indicated that FcγRIIb does not favor a cholesterol- or a sphingolipid-enriched lipid environment. Interestingly, cholesterol was depleted for all studied FcγRIIb variants within a 2-3 nm environment of the receptor, counteracting the usage of raft terminology for models on receptor functionality. Instead, the receptor interacts with lipids that have poly-unsaturated fatty acyl chains and with (poly-) anionic lipids within the cytosolic membrane leaflet. We also found that FcγRIIb monomers adopt a conformation that is not suitable for binding to its IgG ligand, consistent with a lack of detectable binding of monomeric IgG in experiments on primary immune cells. However, our results propose that multivalent IgG complexes might stabilize FcγRIIb in a binding-competent conformation. We suggest differences in receptor complex formation within the membrane as a plausible cause of the altered membrane localization or clustering and the altered suppressive function of the FcγRIIb-I232T variant.