A simple low-cost simulation protocol for approximate localization of structural water molecules in DNA oligonucleotides

Abstract

Using a computational low-cost protocol by combining molecular mechanics energy minimization and molecular dynamics employing the OPLS-AA force field, we were able to reproduce the main structural features of the first hydration shell of double-helix DNA hetero-oligonucleotides in the A (1DPL) and B-conformations (1DPN and 1ENN), whose coordinates are available with atomic resolution from crystallographic data. Our simple protocol also reproduced the main hydration patterns of DNA homo-oligonucleotides in the B-conformation [(AT)12 and (CG)12], obtained before by computer simulation using a longer and more sophisticated molecular dynamics protocol. A preliminary model of the first hydration shell of oligonucleotides may be very useful to those interested in performing quantum-mechanical calculations of systems where hydration features are unknown at the molecular level; the model may also be used by crystallographers during refinement steps.

Translated abstract

Utilizando um protocolo combinado de mecânica e dinâmica molecular, de baixo custo computacional, empregando-se a expressão e os parâmetros do campo de força OPLS-AA, foi possível reproduzir as principais características da primeira camada de hidratação de hetero-oligonucleotídeos de DNA em duplas hélices na conformação A (1DPL) e B (1DPN e 1ENN), conforme descrições cristalográficas com resolução atômica; nosso protocolo também reproduziu satisfatoriamente as características das primeiras camadas de hidratação de homo-oligonucleotídeos de DNA na conformação B [(AT)12 e (CG)12] obtidas em simulações por dinâmica molecular empregando-se protocolos mais longos e mais sofisticados. Um modelo preliminar da primeira camada de hidratação de oligonucleotídeos poderia ser útil para aqueles interessados em proceder cálculos mecânico-quânticos em sistemas cujas características de hidratação são desconhecidas em nível molecular ou, ainda, para refinamento de estruturas cristalográficas por comparação com padrões de difração experimentais.