“Simulations of Lipidic Bilayers”. Prof. Dr. Kaline Coutinho – IF/USP.

Group  of  Molecular  Physic    and  Modeling  

 Kaline  Cou7nho  ([email protected])  

 Ins$tuto  de  Física,  Universidade  de  São  Paulo,  São  Paulo,  SP,  Brazil  

Molecules  in  phospholipid  bilayer  (~70,000  atoms)  

Molecules  in  solu:on  or  in  mixtures  (~  3,000  atoms)  

Clusters  (~50  atoms)  Theore:cal  methods:  *  Quantum  mechanics  (QM)  *  Molecular  mechanics  (MM)  

Classical  molecular  dynamics  of  lipophilic  nucleoside  (UP)  bilayer

DaVinci  •  1  node  with  12  cores    •   2  GPUs  NVIDIA  Tesla  M2050  •  178458  atoms,  49886  molecules  •  10  ns/day  (1  fs/step)  •  Total  of  30ns  è  4  days  (1  wai:ng)    •  GROMOS  force  field  with  Gromacs  4.6.1*  

*www.gromacs.org  

We  studied  structural  proper:es  of  bilayers  with  different  concentra:ons  of  UP  and  DPPC.  

Classical  molecular  dynamics  of  lipophilic  nucleoside  bilayer  and  adenine

DaVinci  •  1  node  with  12  cores    •   2  GPUs  NVIDIA  Tesla  M2050  •  422262  atoms,  27954  molecules  •  2  ns/day  (2  fs/step)  •  Total  of  40ns  è  26  days  (6  wai:ng)    •  GROMOS  force  field  with  Gromacs  4.6.1*  

We  studied  the  interac:on  of  Adenine  with  the  bilayers  with  different  concentra:ons  of  UP  and  DPPC.  

Usually  the  force  field  parameters  of  solvents,  amino  acids  and  nucleic  acids,  sugars  and  carbohydrates  are  good  due  to  the  large  amount  of  experimental  (structural)  informa:on.    But,  what  about  solutes  (inhibitors,  sensors,  anesthe:cs,  drugs,  etc.),  which  in  general  the  experimental  informa:on  are  not  available  ?  The  bonded  and  Lennard-­‐Jones  (LJ)  parameters  are  considered  transferable  from  other  similar  molecules,  however  atomic  charges  are  calculated  using  quantum  mechanical  of  isolated  molecule.    (QM  ⇒  HF/6-­‐31G*  with  MK,  ChelpG  or  RESP)  

 Agen:on  with  this  procedure,  because  it  

does  not  include  polariza:on  !!!!  

[ ]

[ ]

∑⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ε+

∑+

−ϕ+∑+

δ−ϕ+∑+

θ−θ∑+

−∑=

θ

LJ ij

ij

ij

ijij

elec ij

ji

improper

torsions

n

oangles

orbonds

rB

rA

rqq

)cos(V

)ncos(V

)(k

)rr(kU

612

2

2

4

180212

12

2121

r  

U(r)  

Lennard-­‐Jones  

Coulomb  

bonded  

Experimental  data  N

N(CH2)n

CN

NC

I-

N

N

(CH2)n

CN

CN

+

++

+

+ I-

Ab  ini7o  molecular  dynamics  of  pyridinium  iodide  complex  (in  vacuum)

C3bis(4CP)2+  +2I-­‐  

Blue  Gene/P  •  512  cores  (minimum  available)  •  35  atoms,  108  valence  electrons  •  ~  1.2  ps/day  (:mestep  of  0.25  fs)  •  Total  of  20ps  è  20  days  (4  wai:ng)    •  DFT  (PBE)  with  CP2K*  sojware   *www.cp2k.org  

Ab  ini7o  molecular  dynamics  of  pyridinium  iodide  complex  (in  solu7on)

C3bis(4CP)+2  +2  I-­‐  +  80  acetonitrile   •  512  cores    •  515  atoms,  1388  valence  electrons  •  ~  0.5  ps/day  (0.25  fs/step)  •  Total  of  20ps  è  50  days  (10  wai:ng)    •  DFT  (PBE)  with  CP2K*  sojware  

We  explain  that  although  two  I-­‐  bind  with  the  pyridinium  only  one  I-­‐  par:cipates  of  the  electronic  excita:on.  

Blue  Gene/P  

Structural  proper7es  of  the  ab  ini7o  molecular  dynamics  are  used  to  parameterize  classical  force  fields  

Configura:onal  sampling  

Time  evolu:on  of  C  ·∙  ·∙  I  distance  

2.86  ±  0.27  Å    

3.29  ±  0.21  Å