We propose a new effective Monte Carlo (MC) procedure for direct calculation of the free energy in a single MC run. The partition function of the expanded ensemble is introduced including a sum of canonical partition functions with a set of temperatures and additive factors (modification). Random walk in the space of both particle coordinates and temperatures provides calculation of free energy in a wide range of T. The method was applied to a primitive model of electrolyte including the region of low temperatures. In similar way other variants of expanded ensembles are constructed (e.g., over the number of particles N or volume V). Its facilities in quantum statistics (path integral Monte Carlo) and some other applications are also discussed.

An approach is presented to solve the reverse problem of statistical mechanics: reconstruction of interaction potentials from radial distribution functions. The method consists of the iterative adjustment of the interaction potential to known radial distribution functions using a Monte Carlo simulation technique and statistical-mechanics relations to connect deviations of canonical averages with Hamiltonian parameters. The method is applied to calculate the effective interaction potentials between the ions in aqueous NaCl solutions at two different concentrations. The reference ion-ion radial distribution functions, calculated in separate molecular dynamics simulations with water molecules, are reproduced in Monte Carlo simulations, using the effective interaction potentials for the hydrated ions. Application of the present method should provide an effective and economical way to simulate equilibrium properties for very large molecular systems (e.g., polyelectrolytes) in the presence of hydrated ions, as well as to offer an approach to reduce a complexity in studies of various associated and aggregated systems in solution.

Small-angle X-ray scattering (SAXS) is used to demonstrate the presence of density fluctuations in ambient water on a physical length-scale of ≈1 nm; this is retained with decreasing temperature while the magnitude is enhanced. In contrast, the magnitude of fluctuations in a normal liquid, such as CCl 4 , exhibits no enhancement with decreasing temperature, as is also the case for water from molecular dynamics simulations under ambient conditions. Based on X-ray emission spectroscopy and X-ray Raman scattering data we propose that the density difference contrast in SAXS is due to fluctuations between tetrahedral-like and hydrogen-bond distorted structures related to, respectively, low and high density water. We combine our experimental observations to propose a model of water as a temperature-dependent, fluctuating equilibrium between the two types of local structures driven by incommensurate requirements for minimizing enthalpy (strong near-tetrahedral hydrogen-bonds) and maximizing entropy (nondirectional H-bonds and disorder). The present results provide experimental evidence that the extreme differences anticipated in the hydrogen-bonding environment in the deeply supercooled regime surprisingly remain in bulk water even at conditions ranging from ambient up to close to the boiling point.

An all-atomistic force field (FF) has been developed for fully saturated phospholipids. The parametrization has been largely based on high-level ab initio calculations in order to keep the empirical input to a minimum. Parameters for the lipid chains have been developed based on knowledge about bulk alkane liquids, for which thermodynamic and dynamic data are excellently reproduced. The FFs ability to simulate lipid bilayers in the liquid crystalline phase in a tensionless ensemble was tested in simulations of three lipids: 1,2-diauroyl-sn-glycero-3-phospocholine (DLPC), 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DMPC), and 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phospcholine (DPPC). Computed areas and volumes per lipid, and three different kinds of bilayer thicknesses, have been investigated. Most importantly NMR order parameters and scattering form factors agree in an excellent manner with experimental data under a range of temperatures. Further, the compatibility with the AMBER FF for biomolecules as well as the ability to simulate bilayers in gel phase was demonstrated. Overall, the FF presented here provides the important balance between the hydrophilic and hydrophobic forces present in lipid bilayers and therefore can be used for more complicated studies of realistic biological membranes with protein insertions.

Biological membranes are versatile in composition and host intriguing molecular processes. In order to be able to study these systems, an accurate model Hamiltonian or force field (FF) is a necessity. Here, we report the results of our extension of earlier developed all-atomistic FF parameters for fully saturated phospholipids that complements an earlier parameter set for saturated phosphatidylcholine lipids (J. Phys. Chem. B, 2012, 116, 3164-3179). The FF, coined Slipids (Stockholm lipids), now also includes parameters for unsaturated phosphatidylcholine and phosphatidylethanolamine lipids, e.g., POPC, DOPC, SOPC, POPE, and DOPE. As the extended set of parameters is derived with the same philosophy as previously applied, the resulting FF has been developed in a fully consistent manner. The capabilities of Slipids are demonstrated by performing long simulations without applying any surface tension and using the correct isothermal-isobaric (NPT) ensemble for a range of temperatures and carefully comparing a number of properties with experimental findings. Results show that several structural properties are very well reproduced, such as scattering form factors, NMR order parameters, thicknesses, and area per lipid. Thermal dependencies of different thicknesses and area per lipid are reproduced as well. Lipid diffusion is systematically slightly underestimated, whereas the normalized lipid diffusion follows the experimental trends. This is believed to be due to the lack of collective movement in the relatively small bilayer patches used. Furthermore, the compatibility with amino acid FFs from the AMBER family is tested in explicit transmembrane complexes of the WALP23 peptide with DLPC and DOPC bilayers, and this shows that Slipids can be used to study more complex and biologically relevant systems.

To be able to model complex biological membranes in a more realistic manner, the force field Slipids (Stockholm lipids) has been extended to include parameters for sphingomyelin (SM), phosphatidylglycerol (PG), phosphatidylserine (PS) lipids, and cholesterol. Since the parametrization scheme was faithful to the scheme used in previous editions of Slipids, all parameters are consistent and fully compatible. The results of careful validation of a number of key structural properties for one and two component lipid bilayers are in excellent agreement with experiments. Potentials of mean force for transferring water across binary mixtures of lipids and cholesterol were also computed in order to compare water permeability rates to experiments. In agreement with experimental and simulation studies, it was found that the permeability and partitioning of water is affected by cholesterol in lipid bilayers made of saturated lipids to the largest extent. With the extensions of Slipids presented here, it is now possible to study complex systems containing many different lipids and proteins in a fully atomistic resolution in the isothermic-isobaric (NPT) ensemble, which is the proper ensemble for membrane simulations.

Abstract Nanomaterial-induced diseases cannot be reliably predicted because of the lack of clearly identified causal relationships, in particular between acute exposures and chronic symptoms. By applying advanced microscopies and omics to in vitro and in vivo systems, together with in silico molecular modelling, we have here determined that the long-lasting response to a single exposure originates in the counteracting of a newly discovered nanomaterial quarantining and nanomaterial cycling among different lung cell types. This allows us to predict the nanomaterial-induced spectrum of lung inflammation using only in vitro measurements and in silico modelling. Besides its profound implications for cost-efficient animal-free predictive toxicology, our work also paves the way to a better mechanistic understanding of nanomaterial- induced cancer, fibrosis, and other chronic diseases.

Abstract The biopolymer lignin, deposited in the cell walls of vascular cells, is essential for long-distance water conduction and structural support of plants. Independently of the species, each different vascular cell type contains a conserved lignin chemistry with specific aromatic and aliphatic substitutions. Yet, the biological role of this conserved and specific lignin chemistry for each cell type remained unclear. Herein, we investigate the role of specific lignin chemistries for cellular function by producing single cell analyses on vascular cell morphotypes, all enabling sap conduction but differing in morphology. We found that specific lignin chemistries accumulate in each morphotype. Moreover, lignin accumulates dynamically, increasing in quantity and changing composition, to alter the cell wall biomechanics of each morphotype during their maturation. For similar aromatic substitution, residues with alcohol aliphatic functions increased stiffness whereas aldehydes increased flexibility. Modifying this specific lignin chemistry impairs the cell wall biomechanics of each morphotype and consequently reduces their capacity to optimally conduct water in normal conditions, and to recover from drought. Altogether, lignin chemistry is differently controlled for each sap conducting cell types during their maturation to dynamically adjust their biomechanics and hydraulic properties to adapt to developmental and environmental constraints.

A polarizable force field has been developed for molecular dynamics simulations of titanium dioxide in an aqueous environment. The force field uses the standard functional form with an additional term accounting for polarizability, i.e., induction interaction, and has been derived exclusively from ab initio calculations by partitioning of electron density. Polarizability is described using the Drude oscillator model where each non-hydrogen atom is represented by two point charges connected by a harmonic potential. It is demonstrated that the force field provides a realistic description of the structure of anatase and rutile bulk materials from x-ray experiments. In addition, it is shown that, when combined with the popular SWM4-NDP polarizable water model, the force field describes the water structure at the titanium dioxide–water interface in agreement with results from ab initio molecular dynamics simulations. Importantly, our new model provides significant improvement of results for water differential adsorption enthalpy measured by calorimetry experiments compared to previous non-polarizable force field. The new force field allows for accurate simulations of titanium dioxide–aqueous interfaces for systems of a size of ∼105 atoms and simulation times up to the microsecond time scale.