Abstract This article describes the software suite GROMACS (Groningen MAchine for Chemical Simulation) that was developed at the University of Groningen, The Netherlands, in the early 1990s. The software, written in ANSI C, originates from a parallel hardware project, and is well suited for parallelization on processor clusters. By careful optimization of neighbor searching and of inner loop performance, GROMACS is a very fast program for molecular dynamics simulation. It does not have a force field of its own, but is compatible with GROMOS, OPLS, AMBER, and ENCAD force fields. In addition, it can handle polarizable shell models and flexible constraints. The program is versatile, as force routines can be added by the user, tabulated functions can be specified, and analyses can be easily customized. Nonequilibrium dynamics and free energy determinations are incorporated. Interfaces with popular quantum‐chemical packages (MOPAC, GAMES‐UK, GAUSSIAN) are provided to perform mixed MM/QM simulations. The package includes about 100 utility and analysis programs. GROMACS is in the public domain and distributed (with source code and documentation) under the GNU General Public License. It is maintained by a group of developers from the Universities of Groningen, Uppsala, and Stockholm, and the Max Planck Institute for Polymer Research in Mainz. Its Web site is http://www.gromacs.org . © 2005 Wiley Periodicals, Inc. J Comput Chem 26: 1701–1718, 2005

Visualizing a response to light Many biological processes depend on detecting and responding to light. The response is often mediated by a structural change in a protein that begins when absorption of a photon causes isomerization of a chromophore bound to the protein. Pande et al. used x-ray pulses emitted by a free electron laser source to conduct time-resolved serial femtosecond crystallography in the time range of 100 fs to 3 ms. This allowed for the real-time tracking of the trans-cis isomerization of the chromophore in photoactive yellow protein and the associated structural changes in the protein. Science , this issue p. 725

Abstract To efficiently insert a protein into an equilibrated and fully hydrated membrane with minimal membrane perturbation we present a computational tool, called g_membed, which is part of the Gromacs suite of programs. The input consists of an equilibrated membrane system, either flat or curved, and a protein structure in the right position and orientation with respect to the lipid bilayer. g_membed first decreases the width of the protein in the xy ‐plane and removes all molecules (generally lipids and waters) that overlap with the narrowed protein. Then the protein is grown back to its full size in a short molecular dynamics simulation (typically 1000 steps), thereby pushing the lipids away to optimally accommodate the protein in the membrane. After embedding the protein in the membrane, both the lipid properties and the hydration layer are still close to equilibrium. Thus, only a short equilibration run (less then 1 ns in the cases tested) is required to re‐equilibrate the membrane. Its simplicity makes g_membed very practical for use in scripting and high‐throughput molecular dynamics simulations. © 2010 Wiley Periodicals, Inc. J Comput Chem, 2010

Ewald summation, which has become the de facto standard for computing electrostatic interactions in biomolecular simulations, formally requires that the simulation box is neutral. For non-neutral systems, the Ewald algorithm implicitly introduces a uniform background charge distribution that effectively neutralizes the simulation box. Because a uniform distribution of counter charges typically deviates from the spatial distribution of counterions in real systems, artifacts may arise, in particular in systems with an inhomogeneous dielectric constant. Here, we derive an analytical expression for the effect of using an implicit background charge instead of explicit counterions, on the chemical potential of ions in heterogeneous systems, which (i) provides a quantitative criterium for deciding if the background charge offers an acceptable trade-off between artifacts arising from sampling problems and artifacts arising from the homogeneous background charge distribution, and (ii) can be used to correct this artifact in certain cases. Our model quantifies the artifact in terms of the difference in charge density between the non-neutral system with a uniform neutralizing background charge and the real neutral system with a physically correct distribution of explicit counterions. We show that for inhomogeneous systems, such as proteins and membranes in water, the artifact manifests itself by an overstabilization of ions inside the lower dielectric by tens to even hundreds kilojoules per mole. We have tested the accuracy of our model in molecular dynamics simulations and found that the error in the calculated free energy for moving a test charge from water into hexadecane, at different net charges of the system and different simulation box sizes, is correctly predicted by the model. The calculations further confirm that the incorrect distribution of counter charges in the simulation box is solely responsible for the errors in the PMFs.

High-spin molecules allow for bottom-up qubit design and are promising platforms for magnetic sensing and quantum information science. Optical addressability of molecular electron spins has also been proposed in first-row transition-metal complexes via optically detected magnetic resonance (ODMR) mechanisms analogous to the diamond-nitrogen-vacancy color center. However, significantly less progress has been made on the front of metal-free molecules, which can deliver lower costs and milder environmental impacts. At present, most luminescent open-shell organic molecules are π-diradicals, but such systems often suffer from poor ground-state open-shell characters necessary to realize a stable ground-state molecular qubit. In this work, we use alternancy symmetry to selectively minimize radical–radical interactions in the ground state, generating π-systems with high diradical characters. We call them m-dimers, referencing the need to covalently link two benzylic radicals at their meta carbon atoms for the desired symmetry. Through a detailed electronic structure analysis, we find that the excited states of alternant hydrocarbon m-diradicals contain important symmetries that can be used to construct ODMR mechanisms leading to ground-state spin polarization. The molecular parameters are set in the context of a tris(2,4,6-trichlorophenyl)methyl (TTM) radical dimer covalently tethered at the meta position, demonstrating the feasibility of alternant m-diradicals as molecular color centers.

Molecular dynamics (MD) simulations are widely applied to estimate absolute binding free energies of protein-ligand and protein-protein complexes. A routinely used method for binding free energy calculations with MD is umbrella sampling (US), which calculates the potential of mean force (PMF) along a single reaction coordinate. Surprisingly, in spite of its widespread use, few validation studies have focused on the convergence of the free energy computed along a single path for specific cases, not addressing the reproducibility of such calculations in general. In this work, we therefore investigate the reproducibility and convergence of US along a standard distance-based reaction coordinate for various protein-protein and protein-ligand complexes, following commonly used guidelines for the setup. We show that repeating the complete US workflow can lead to differences of 2-20 kcal/mol in computed binding free energies. We attribute those discrepancies to small differences in the binding pathways. While these differences are unavoidable in the established US protocol, the popularity of the latter could hint at a lack of awareness of such reproducibility problems. To test if the convergence of PMF profiles can be improved if multiple pathways are sampled simultaneously, we performed additional simulations with an adaptive-biasing method, here the accelerated weight histogram (AWH) approach. Indeed, the PMFs obtained from AHW simulations are consistent and reproducible for the systems tested. To the best of our knowledge, our work is the first to attempt a systematic assessment of the pitfalls in one the most widely used protocols for computing binding affinities. We anticipate therefore that our results will provide an incentive for a critical reassessment of the validity of PMFs computed with US, and make a strong case to further benchmark the performance of adaptive-biasing methods for computing binding affinities.

Abstract Nitroxide labels are combined with nucleic acid structures and studied using electron paramagnetic resonance experiments (EPR). As X-ray/NMR structures are unavailable with the nitroxide labels, detailed residue level information, down to atomic resolution, about the effect of these nitroxide labels on local RNA structures is currently lacking. This information is critical to evaluate the choice of spin label. In this study, we compare and contrast the effect of TEMPO-based (N T ) and rigid spin (Ç) labels (in both 2’-O methylated and not-methylated forms) on RNA duplexes. We also investigate sequence-dependent effects of N T label on RNA duplex along with the more complex G-quadruplex RNA. Distances measured from molecular dynamics simulations between the two spin labels are in agreement with the EPR experimental data. To understand the effect of labeled oligonucleotides on the structure, we studied the local base pair geometries and global structure in comparison with the unlabeled structures. Based on the structural analysis, we can conclude that TEMPO-based and Ç labels do not significantly perturb the base pair arrangements of the native oligonucleotide. When experimental structures for the spin labelled DNA/RNA molecules are not available, general framework offered by the current study can be used to provide information critical to the choice of spin labels to facilitate future EPR studies. Graphical abstract

Strong coupling between molecules and confined light modes of optical cavities to form polaritons can alter photochemistry, but the origin of this effect remains largely unknown. While theoretical models suggest a suppression of photochemistry due to the formation of new polaritonic potential energy surfaces, many of these models do not account for the energetic disorder among the molecules, which is unavoidable at ambient conditions. Here, we combine simulations and experiments to show that for an ultra-fast photochemical reaction such thermal disorder prevents the modification of the potential energy surface and that suppression is due to radiative decay of the lossy cavity modes. We also show that the excitation spectrum under strong coupling is a product of the excitation spectrum of the bare molecules and the absorption spectrum of the molecule-cavity system, suggesting that polaritons can act as gateways for channeling an excitation into a molecule, which then reacts normally. Our results therefore imply that strong coupling provides a means to tune the action spectrum of a molecule, rather than to change the reaction. The aim of polaritonic chemistry is to control photochemical reactions by placing molecules inside optical cavities. Here, the authors show that this is not directly possible due to thermal disorder, which is unavoidable in real experiments, and polaritons mostly channel molecular excitations.

Triosephosphate Isomerase is a glycolytic enzyme catalyzing the interconversion of Dihydroxyacetone phosphate to Glyceraldehyde-3-phosphate. The active site is comprised of three distinct loops loop-6, loop-7 and loop-8. Based on loop-6 and loop-7 conformation we describe the enzyme as Open TIM and Closed TIM. Various NMR, X-ray crystallography and QM/MM simulation techniques have provided glimpses of individual events of what is essentially a dynamic process. We studied the conformational changes of two distinct loops (loop-6 and loop-7) enveloping the active site, in the presence of natural substrate, reaction intermediates and inhibitor molecules, by means of microsecond atomistic MD simulations in solution and crystal environment. Our studies have revealed that loop-6 samples open and closed conformations in both apo and holo TIM structures. As seen in solution state NMR experiments, we also observe that loop-6 N-terminus and C-terminus move independently. In our simulations we have also observed that backbone dihedrals of loop-7 residues G210 (G210-phi, G210-psi) and G211 (G211-phi) sample open and closed states in both apo and holo TIM structures. Whereas backbone dihedral angles of G211 (G211-psi) and S212 (S212-phi) adopt closed conformation only when the ligand is bound to the active site. As observed in chain-B of 1R2R crystal structures, we also observe that water molecules can also initiate flip of G211-psi and S212-phi dihedral angles into closed conformation. Except, loop-5, which has a dominant effect on the conformational behaviour of loop-6 N-terminus, we do not observe any influence of either loop-6 or loop-7 on the conformational dynamics of the other.