In molecular dynamics simulations, sufficient sampling is of key importance and a continuous challenge in the field. The coarse grain Martini force field has been widely used to enhance sampling. In its original implementation, this force field applied a shifted Lennard-Jones potential for the non-bonded van der Waals interactions, to avoid problems related to a relatively short cutoff. Here we investigate the use of a straight cutoff Lennard-Jones potential with potential modifiers. Together with a Verlet neighbor search algorithm, the modified potential allows the use of GPUs to accelerate the computations in Gromacs. We find that this alternative potential has little influence on most of the properties studied, including partitioning free energies, bulk liquid properties and bilayer properties. At the same time, energy conservation is kept within reasonable bounds. We conclude that the newly proposed straight cutoff approach is a viable alternative to the standard shifted potentials used in Martini, offering significant speedup even in the absence of GPUs.

Lipid nanoparticles (LNP) containing ionizable cationic lipids are the leading systems for enabling therapeutic applications of siRNA; however, the structure of these systems has not been defined. Here we examine the structure of LNP siRNA systems containing DLinKC2-DMA(an ionizable cationic lipid), phospholipid, cholesterol and a polyethylene glycol (PEG) lipid formed using a rapid microfluidic mixing process. Techniques employed include cryo-transmission electron microscopy, (31)P NMR, membrane fusion assays, density measurements, and molecular modeling. The experimental results indicate that these LNP siRNA systems have an interior lipid core containing siRNA duplexes complexed to cationic lipid and that the interior core also contains phospholipid and cholesterol. Consistent with experimental observations, molecular modeling calculations indicate that the interior of LNP siRNA systems exhibits a periodic structure of aqueous compartments, where some compartments contain siRNA. It is concluded that LNP siRNA systems formulated by rapid mixing of an ethanol solution of lipid with an aqueous medium containing siRNA exhibit a nanostructured core. The results give insight into the mechanism whereby LNP siRNA systems are formed, providing an understanding of the high encapsulation efficiencies that can be achieved and information on methods of constructing more sophisticated LNP systems.

Abstract Lipid bilayers constitute the basis of biological membranes. Understanding lipid mixing and phase behavior can provide important insights into membrane lateral organization (the “raft” hypothesis). Here we investigate model lipid bilayers below and above their miscibility transition temperatures. Molecular dynamics simulations with the MARTINI coarse-grained force field are employed to model bilayers on a length scale approaching 100 nm and a time scale of tens of microseconds. Using a binary mixture of saturated and unsaturated lipids, and a ternary mixture of a saturated lipid, an unsaturated lipid and cholesterol we reproduce the coexistence of liquid-crystalline and gel, as well as liquid-ordered and liquid-disordered phases. By raising the temperature or adding hybrid lipids (with a saturated and an unsaturated chain), we induce a gradual transition from a two-phase to a one-phase state. We characterize the evolution of bilayer properties along this transition. Domains of coexisting phases change to dynamic heterogeneity with local ordering and compositional de-mixing. We analyze the structural and dynamic properties of domains, sizes and lifetimes of composition fluctuations, and calculate the in-plane structure factors.