MDAnalysis (http://mdanalysis.org) is a library for structural and temporal analysis of molecular dynamics (MD) simulation trajectories and individual protein structures. MD simulations of biological molecules have become an important tool to elucidate the relationship between molecular structure and physiological function. Simulations are performed with highly optimized software packages on HPC resources but most codes generate output trajectories in their own formats so that the development of new trajectory analysis algorithms is confined to specific user communities and widespread adoption and further development is delayed. MDAnalysis addresses this problem by abstracting access to the raw simulation data and presenting a uniform object-oriented Python interface to the user. It thus enables users to rapidly write code that is portable and immediately usable in virtually all biomolecular simulation communities. The user interface and modular design work equally well in complex scripted work flows, as foundations for other packages, and for interactive and rapid prototyping work in IPython / Jupyter notebooks, especially together with molecular visualization provided by nglview and time series analysis with pandas. MDAnalysis is written in Python and Cython and uses NumPy arrays for easy interoperability with the wider scientific Python ecosystem. It is widely used and forms the foundation for more specialized biomolecular simulation tools. MDAnalysis is available under the GNU General Public License v2.

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.

ABSTRACT The coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic, caused by the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), has killed over 5 million people and is causing a devastating social and economic impact all over the world. The rise of new variants of concern (VOCs) represents a difficult challenge due to the loss vaccine and natural immunity, and increased transmissibility. All circulating VOCs contain mutations in the spike glycoprotein, which mediates fusion between the viral and host cell membranes, via its receptor binding domain (RBD) that binds to angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). In an attempt to understand the effect of RBD mutations in circulating VOCs, a lot of attention has been given to the RBD-ACE2 interaction. However, this type of analysis is limited, since it ignores more indirect effects, such as the conformational dynamics of the RBD itself. Observing that some VOCs mutations occur in residues that are not in direct contact with ACE2, we hypothesized that they could affect RBD conformational dynamics. To test this, we performed long atomistic (AA) molecular dynamics (MD) simulations to investigate the structural dynamics of wt RBD, and that of three circulating VOCs (alpha, beta, and delta). Our results show that in solution, wt RBD presents two distinct conformations: an “open” conformation where it is free to bind ACE2; and a “closed” conformation, where the RBM ridge blocks the binding surface. The alpha and beta variants significantly impact the open/closed equilibrium, shifting it towards the open conformation by roughly 20%. This shift likely increases ACE2 binding affinity. Simulations of the currently predominant delta variant RBD were extreme in this regard, in that a closed conformation was never observed. Instead, the system alternated between the before mentioned open conformation and an alternative “reversed” one, with a significantly changed orientation of the RBM ridge flanking the RBD. This alternate conformation could potentially provide a fitness advantage not only due to increased availability for ACE2 binding, but also by aiding antibody escape through epitope occlusion. These results support the hypothesis that VOCs, and particularly the delta variant, impact RBD conformational dynamics in a direction that simultaneously promotes efficient binding to ACE2 and antibody escape.

Abstract BAX and BAK are proapoptotic members of the BCL2 family that directly mediate mitochondrial outer membrane permeabilition (MOMP), a central step in apoptosis execution. However, the molecular architecture of the mitochondrial apoptotic pore remains a key open question and especially little is known about the contribution of lipids to MOMP. By performing a comparative lipidomics analysis of the proximal membrane environment of BAK isolated in lipid nanodiscs, we find a significant enrichment of unsaturated species nearby BAK and BAX in apoptotic conditions. We then demonstrate that unsaturated lipids promote BAX pore activity in model membranes, isolated mitochondria and cellular systems, which is further supported by molecular dynamics simulations. Accordingly, the fatty acid desaturase FADS2 not only enhances apoptosis sensitivity, but also the activation of the cGAS/STING pathway downstream mtDNA release. The correlation of FADS2 levels with the sensitization to apoptosis of different lung and kidney cancer cell lines by co-treatment with unsaturated fatty acids supports the relevance of our findings. Altogether, our work provides an insight on how local lipid environment affects BAX and BAK function during apoptosis.

Abstract Binding of hexokinase HKI to mitochondrial voltage-dependent anion channels (VDACs) has far-reaching physiological implications. However, the structural basis of this interaction is unclear. Combining computer simulations with experiments in cells, we here show that complex assembly relies on intimate contacts between the N -terminal α-helix of HKI and a charged membrane-buried glutamate on the outer wall of VDAC1 and VDAC2. Protonation of this residue blocks complex formation in silico while acidification of the cytosol causes a reversable release of HKI from mitochondria. Membrane insertion of HKI occurs adjacent to the bilayer-facing glutamate where a pair of polar channel residues mediates a marked thinning of the cytoplasmic leaflet. Disrupting the membrane thinning capacity of VDAC1 dramatically impairs its ability to bind HKI in silico and in cells. Our data reveal key topological and mechanistic insights into HKI-VDAC complex assembly that may benefit the development of therapeutics to counter pathogenic imbalances in this process.

Summary Rhodopsin-1 (Rh1), the main photo-sensitive protein of Drosophila , is a seven transmembrane domain protein, which is inserted co-translationally in the endoplasmic reticulum (ER) membrane. Maturation of Rh1 occurs in the ER, where various chaperones interact with Rh1 to aid in its folding and subsequent transport in the secretory pathway. Xport-A has been shown to be a chaperone/ transport factor for Rh1, but the exact molecular mechanism for Xport-A activity upon Rh1 is not known. Here, based on computational predictions, we propose a model where Xport-A functions as a chaperone in the biosynthesis of Rh1 by stabilizing the first 5 transmembrane domains of Rh1, but not the full length Rh1 protein.

Coarse-grained modeling has become an important tool to supplement experimental measurements, allowing access to spatio-temporal scales beyond all-atom based approaches. The GōMartini model combines structure- and physics-based coarse-grained approaches, balancing computational efficiency and accurate representation of protein dynamics with the capabilities of studying proteins in different biological environments. This paper introduces an enhanced GōMartini model, which combines a virtual-site implementation of Gō models with Martini 3. The implementation has been extensively tested by the community since the release of the new version of Martini. This work demonstrates the capabilities of the model in diverse case studies, ranging from protein-membrane binding to protein-ligand interactions and AFM force profile calculations. The model is also versatile, as it can address recent inaccuracies reported in the Martini protein model. Lastly, the paper discusses the advantages, limitations, and future perspectives of the Martini 3 protein model and its combination with Gō models.

Cell membranes contain hundreds of different proteins and lipids in an asymmetric arrangement. Understanding the lateral organization principles of these complex mixtures is essential for life and health. However, our current understanding of the detailed organization of cell membranes remains rather elusive, owing to the lack of experimental methods suitable for studying these fluctuating nanoscale assemblies of lipids and proteins with the required spatio-temporal resolution. Here, we use molecular dynamics simulations to characterize the lipid environment of ten membrane proteins. To provide a realistic lipid environment, the proteins are embedded in a model plasma membrane, where more than 60 lipid species are represented, asymmetrically distributed between leaflets. The simulations detail how each protein modulates its local lipid environment through local lipid composition, thickness, curvature and lipid dynamics. Our results provide a molecular glimpse of the complexity of lipid-protein interactions, with potentially far reaching implications for the overall organization of the cell membrane.