Shocker─A Molecular Dynamics Protocol and Tool for Accelerating and Analyzing the Effects of Osmotic Shocks

膜 渗透 小泡 分子动力学 渗透性休克 生物物理学 脂质双层 渗透压 化学物理 聚合物囊泡 背景(考古学) 半透膜 生物系统 化学 机械 材料科学 物理 生物 两亲性 生物化学 计算化学 基因 古生物学 有机化学 聚合物 共聚物
作者
Marco van Tilburg,‪Siewert J. Marrink,Melanie König,Fabian Grünewald
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:20 (1): 212-223 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.3c00961
摘要

The process of osmosis, a fundamental phenomenon in life, drives water through a semipermeable membrane in response to a solute concentration gradient across this membrane. In vitro, osmotic shocks are often used to drive shape changes in lipid vesicles, for instance, to study fission events in the context of artificial cells. While experimental techniques provide a macroscopic picture of large-scale membrane remodeling processes, molecular dynamics (MD) simulations are a powerful tool to study membrane deformations at the molecular level. However, simulating an osmotic shock is a time-consuming process due to slow water diffusion across the membrane, making it practically impossible to examine its effects in classic MD simulations. In this article, we present Shocker, a Python-based MD tool for simulating the effects of an osmotic shock by selecting and relocating water particles across a membrane over the course of several pumping cycles. Although this method is primarily aimed at efficiently simulating volume changes in vesicles, it can also handle membrane tubes and double bilayer systems. Additionally, Shocker is force field-independent and compatible with both coarse-grained and all-atom systems. We demonstrate that our tool is applicable to simulate both hypertonic and hypotonic osmotic shocks for a range of vesicular and bilamellar setups, including complex multicomponent systems containing membrane proteins or crowded internal solutions.

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