新しい脂質力場（富士）

脂質二重層などの不均一および異方性システムを探索するために、Lennard-Jones Particle Mesh Ewald（LJ-PME）メソッドは、従来の等方性分散補正なしで適用されています。カットオフスキームを使用して人気のあるアンバーとcharmmの脂質力場が開発されたため、LJ-PMEメソッドを使用すると、脂質二重層が容認できないほど縮小します。この研究では、LipID14 van der Waalsパラメーターを含むアンバーフォースフィールドスキームに基づいて、新しい全原子脂質力場（富士）が開発されました。ポイント電荷は、多くの脂質配座異性体の抑制された静電ポテンシャルを使用して計算されました。さらに、ねじれエネルギープロファイルは、高レベルのAB Initio分子軌道（LCCSD（T）/AUG-CC-PVTZ // LMP2/AUG-CC-PVTZ）を使用して計算され、その後、分子機械的二面体パラメーターは高速フーリエ変換を介して導出されました。実験データを適合せずにこれらのパラメーターを新しい脂質力場に組み込むことにより、LJ-PMEメソッドと仮想水素部位を使用したGROMACS分子動力学シミュレーションを通じて、脂質ごとの面積などの目的の脂質特性を取得しました。脂質および横方向の拡散係数あたりの計算面積は、実験データと満足のいく一致を示しました。さらに、膜垂直の膜に沿った電子密度プロファイルは、純粋な脂質二重層について計算され、結果の膜の厚さは実験値とよく一致しました。新しい脂質力場はタンパク質と小分子の富士と互換性があるため、新しい富士力場は、さまざまな膜タンパク質と脂質で構成される複雑なシステムの正確なモデリングを提供します。

To explore inhomogeneous and anisotropic systems such as lipid bilayers, the Lennard-Jones particle mesh Ewald (LJ-PME) method has been applied without a conventional isotropic dispersion correction. As the popular AMBER and CHARMM lipid force fields were developed using a cutoff scheme, their lipid bilayers unacceptably shrink when using the LJ-PME method. In this study, a new all-atom lipid force field (FUJI) was developed on the basis of the AMBER force-field scheme including the Lipid14 van der Waals parameters. Point charges were calculated using the restrained electrostatic potentials of many lipid conformers. Further, torsion energy profiles were calculated using high-level ab initio molecular orbitals (LCCSD(T)/Aug-cc-pVTZ//LMP2/Aug-cc-pVTZ), following which the molecular mechanical dihedral parameters were derived through a fast Fourier transform. By incorporation of these parameters into a new lipid force field without fitting experimental data, the desired lipid characteristics such as the area per lipid and lateral diffusion coefficients were obtained through GROMACS molecular dynamics simulations using the LJ-PME method and virtual hydrogen sites. The calculated area per lipid and lateral diffusion coefficients showed satisfactory agreement with experimental data. Furthermore, the electron-density profiles along the membrane normal were calculated for pure lipid bilayers, and the resulting membrane thicknesses agreed well with the experimental values. As the new lipid force field is compatible with FUJI for protein and small molecules, the new FUJI force field will offer accurate modeling for complex systems consisting of various membrane proteins and lipids.