Molecular mechanics (MM) simulations have been used to model two small crystals of cellulose Iβ surrounded by water. These small crystals contained six different extended surfaces: (1 1 0), (11¯0), two types of (1 0 0), and two types of (0 1 0). Significant changes took place in the crystal structures. In both crystals there was an expansion of the unit cell, and a change in the γ angle to almost orthogonal. Both microcrystals developed a right-hand twist of about 1.5° per cellobiose unit, similar to the twisting of β-sheets in proteins. In addition, in every other layer, made up of the unit cell center chains, a tilt of the sugar rings of 14.8° developed relative to the crystal plane as a result of a transition of the primary alcohol groups in these layers away from the starting TG conformation to GG. In this conformation, these groups made interlayer hydrogen bonds to the origin chains above and below. No change in the primary alcohol conformations or hydrogen-bonding patterns in the origin chain layers was observed. Strong localization of the adjacent water was found for molecules in the first hydration layer of the surfaces, due to both hydrogen bonding to the hydroxyl groups of the sugar molecules and also due to hydrophobic hydration of the extensive regions of nonpolar surface resulting from the axial aliphatic hydrogen atoms of the ‘tops’ of the glucose monomers. Significant structuring of the water was found to extend far out into the solution. It is hypothesized that the structured layers of water might present a barrier to the approach of cellulase enzymes toward the cellulose surfaces in enzyme-catalyzed hydrolysis, and might inhibit the escape of soluble products, contributing to the slow rates of hydrolysis observed experimentally. Since the water structuring is different for the different surfaces, this might result in slower hydrolysis rates for some surfaces compared to others.

Arginine-rich cell-penetrating peptides do not enter cells by directly passing through a lipid membrane; they instead passively enter vesicles and live cells by inducing membrane multilamellarity and fusion. The molecular picture of this penetration mode, which differs qualitatively from the previously proposed direct mechanism, is provided by molecular dynamics simulations. The kinetics of vesicle agglomeration and fusion by an iconic cell-penetrating peptide-nonaarginine-are documented via real-time fluorescence techniques, while the induction of multilamellar phases in vesicles and live cells is demonstrated by a combination of electron and fluorescence microscopies. This concert of experiments and simulations reveals that the identified passive cell penetration mechanism bears analogy to vesicle fusion induced by calcium ions, indicating that the two processes may share a common mechanistic origin.

prosECCo75 is an optimized force field effectively incorporating electronic polarization via charge scaling. It aims to enhance the accuracy of nominally nonpolarizable molecular dynamics (MD) simulations for interactions in biologically relevant systems involving water, ions, proteins, lipids, and saccharides. Recognizing the inherent limitations of nonpolarizable force fields in precisely modeling electrostatic interactions essential for various biological processes, we mitigate these shortcomings by accounting for electronic polarizability in a physical rigorous mean-field way that does not add to computational costs. With this scaling of (both integer and partial) charges within the CHARMM36 framework, prosECCo75 addresses overbinding artifacts. This improves agreement with experimental ion binding data across a broad spectrum of systems - lipid membranes, proteins (including peptides and amino acids), and saccharides - without compromising their biomolecular structures. prosECCo75 thus emerges as a computationally efficient tool providing enhanced accuracy and broader applicability in simulating the complex interplay of interactions between ions and biomolecules, pivotal for improving our understanding of many biological processes.

Abstract Hydrogen to deuterium isotopic substitution has only a minor effect on physical and chemical properties of water and, as such, is not supposed to influence its neutral taste. Here we conclusively demonstrate that humans are, nevertheless, able to distinguish D 2 O from H 2 O by taste. Indeed, highly purified heavy water has a distinctly sweeter taste than same-purity normal water and adds to perceived sweetness of sweeteners. In contrast, mice do not prefer D 2 O over H 2 O, indicating that they are not likely to perceive heavy water as sweet. HEK 293T cells transfected with the TAS1R2/TAS1R3 heterodimer and chimeric G-proteins are activated by D 2 O but not by H 2 O. Lactisole, which is a known sweetness inhibitor acting via the TAS1R3 monomer of the TAS1R2/TAS1R3, suppresses the sweetness of D 2 O in human sensory tests, as well as the calcium release elicited by D 2 O in sweet taste receptor-expressing cells. The present multifaceted experimental study, complemented by homology modelling and molecular dynamics simulations, resolves a long-standing controversy about the taste of heavy water, shows that its sweet taste is mediated by the human TAS1R2/TAS1R3 taste receptor, and opens way to future studies of the detailed mechanism of action. One sentence summary Heavy water elicits sweet taste for humans via the TAS1R2/TAS1R3 taste receptor.

prosECCo75 is an optimized force field effectively incorporating electronic polarization via charge scaling. It aims to enhance the accuracy of nominally nonpolarizable molecular dynamics simulations for interactions in biologically relevant systems involving water, ions, proteins, lipids, and saccharides. Recognizing the inherent limitations of nonpolarizable force fields in precisely modeling electrostatic interactions essential for various biological processes, we mitigate these shortcomings by accounting for electronic polarizability in a physically rigorous mean-field way that does not add to computational costs. With this scaling of (both integer and partial) charges within the CHARMM36 framework, prosECCo75 addresses overbinding artifacts. This improves agreement with experimental ion binding data across a broad spectrum of systems─lipid membranes, proteins (including peptides and amino acids), and saccharides─without compromising their biomolecular structures. prosECCo75 thus emerges as a computationally efficient tool providing enhanced accuracy and broader applicability in simulating the complex interplay of interactions between ions and biomolecules, pivotal for improving our understanding of many biological processes.

Abstract The phenomenon of like-charge pairing of hydrated ions is a physical manifestation of the unique solvation properties of certain ion pairs in water. Water’s high dielectric constant and related ion screening capability significantly influence the interaction between like-charged ions, with the possibility to transform it – in some cases – from repulsion to attraction. Guanidinium cations (Gdm + ) represent a quintessential example of such like-charge pairing due to their specific geometry and charge distribution. In this work, we present experimental quantification of Gdm + –Gdm + contact ion pairing in water utilizing nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy experiments complemented by molecular dynamics (MD) simulations and density functional theory (DFT) calculations. The observed interaction is very weak — about –0.5 kJ · mol − 1 — which aligns with theoretical estimation from MD simulations. We also contrast the behavior of Gdm + with NH 4 + cations, which do no exhibit contact ion pairing in water. DFT calculations predict that the NMR chemical shift of Gdm + dimers is smaller than that of monomers, in agreement with NMR titration curves that display a non-linear Langmuir-like behavior. Additionally, we conducted cryo-electron microscopy experiments on oligoarginines R 9 , which (unlike nona-lysines K 9 ) exhibit aggregation in water. This points again to like charge pairing of the guanidinium side chain groups, as corroborated also by molecular dynamics simulations of these peptides in water.