Линейное натяжение кромки поры в мембране на твердой подложке

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Контролируемое образование сквозных пор в бислойных липидных мембранах является ключевой стадией различных биотехнологических методик. Избыточная энергия кромки поры характеризуется линейным натяжением, величина которого определяет общую стабильность мембраны по отношению к образованию пор. Практически важный размер пор составляет порядка нескольких нанометров. Исследование таких пор прямыми оптическими методами невозможно, однако они, в принципе, могут быть визуализированы методом атомно-силовой микроскопии. В этом методе используется твердая подложка, на которой липидный бислой удерживается за счет взаимодействия с ней одного из монослоев. В настоящей работе мы теоретически исследовали влияние наличия подложки на величину линейного натяжения кромки поры. Предполагалось, что линейное натяжение определяется энергией упругих деформаций мембраны на кромке. Были рассмотрены различные режимы взаимодействия мембраны с подложкой: от свободной мембраны (полное отсутствие взаимодействия) до случая бесконечно сильной адгезии мембраны на подложку. Результаты расчетов показывают, что относительное изменение линейного натяжения кромки поры при такой вариации интенсивности взаимодействия мембраны с подложкой оказывается менее 3.5%. Таким образом, разработанная теоретическая модель предсказывает чрезвычайно слабое влияние взаимодействия с подложкой на величину линейного натяжения – основную энергетическую характеристику кромки поры.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Д. И. Костина

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Email: akimov@misis.ru
Россия, Москва, 119049

М. В. Сумарокова

Институт системной биологии и медицины Роспотребнадзора

Email: akimov@misis.ru
Россия, Москва, 117246

С. П. Дудик

Институт системной биологии и медицины Роспотребнадзора

Email: akimov@misis.ru
Россия, Москва, 117246

П. В. Башкиров

Институт системной биологии и медицины Роспотребнадзора

Email: akimov@misis.ru
Россия, Москва, 117246

С. А. Акимов

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Автор, ответственный за переписку.
Email: akimov@misis.ru
Россия, Москва, 119049

Список литературы

  1. Olbrich K., Rawicz W., Needham D., Evans E. 2000. Water permeability and mechanical strength of polyunsaturated lipid bilayers. Biophys. J. 79, 321–327.
  2. Zhang X.C., Li H. 2019. Interplay between the electrostatic membrane potential and conformational changes in membrane proteins. Protein Sci. 28, 502–512.
  3. Vacher H., Trimmer J.S. 2011. Diverse roles for auxiliary subunits in phosphorylation-dependent regulation of mammalian brain voltage-gated potassium channels. Eur. J. Physiol. 462, 631–643.
  4. Caplan M.J. 2001. Ion pump sorting in polarized renal epithelial cells. Kidney Int. 60, 427–430.
  5. Südhof T.C., Rothman J.E. 2009. Membrane fusion: Grappling with SNARE and SM proteins. Science. 323, 474–477.
  6. Antonny B., Burd C., De Camilli P., Chen E., Daumke O., Faelber K., Ford M., Frolov V.A., Frost A., Hinshaw J.E., Kirchhausen T., Kozlov M.M., Lenz M., Low H.H., McMahon H., Merrifield C., Pollard T.D., Robinson P.J., Roux A., Schmid S. 2016. Membrane fission by dynamin: What we know and what we need to know. EMBO J. 35, 2270–2284.
  7. Дунина-Барковская А.Я., Вишнякова Х.С., Баратова Л.А., Радюхин В.А. 2019. Модуляция холестерин-зависимой активности макрофагов IC-21 пептидом, содержащим два CRAC-мотива из белка M1 вируса гриппа. Биол. мембраны 36, 271–280.
  8. Pérez-Peinado C., Dias S.A., Domingues M.M., Benfield A.H., Freire J.M., Rádis-Baptista G., Gaspar D., Castanho M.A.R.B., Craik D.J., Henriques S.T., Veiga A.S., Andreu D. 2018. Mechanisms of bacterial membrane permeabilization by crotalicidin (Ctn) and its fragment Ctn (15–34), antimicrobial peptides from rattlesnake venom. J. Biol. Chem. 293, 1536–1549.
  9. Дерягин Б.В., Гутоп Ю.В. 1962. Теория разрушения (прорыва) свободных пленок. Коллоидн. журн. 24, 431–437.
  10. Evans E., Heinrich V., Ludwig F., Rawicz W. 2003. Dynamic tension spectroscopy and strength of biomembranes. Biophys. J. 85, 2342–2350.
  11. Evans E., Smith B.A. 2011. Kinetics of hole nucleation in biomembrane rupture. New J. Phys. 13, 095010.
  12. Karal M.A.S., Levadnyy V., Yamazaki M. 2016. Analysis of constant tension-induced rupture of lipid membranes using activation energy. Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 13487–13495.
  13. Portet T., Dimova R. 2010. A new method for measuring edge tensions and stability of lipid bilayers: Effect of membrane composition. Biophys. J. 99, 3264–3273.
  14. Karatekin E., Sandre O., Guitouni H., Borghi N., Puech P.H., Brochard-Wyart F. 2003. Cascades of transient pores in giant vesicles: Line tension and transport. Biophys. J. 84, 1734–1749.
  15. Панов П.В., Акимов С.А., Батищев О.В. 2014. Изопреноидные цепи липидов повышают устойчивость мембран к формированию сквозных пор. Биол. мембраны 31, 331–335.
  16. Ilton M., DiMaria C., Dalnoki-Veress K. 2016. Direct measurement of the critical pore size in a model membrane. Phys. Rev. Lett. 117, 257801.
  17. Parvez F., Alam J.M., Dohra H., Yamazaki M. 2018. Elementary processes of antimicrobial peptide PGLa-induced pore formation in lipid bilayers. Biochim. Biophys. Acta. 1860, 2262–2271.
  18. Galimzyanov T.R., Bashkirov P.V., Blank P.S., Zimmerberg J., Batishchev O.V., Akimov S.A. 2020. Monolayerwise application of linear elasticity theory well describes strongly deformed lipid membranes and the effect of solvent. Soft Matter 16, 1179–1189.
  19. Garcia-Manyes S., Oncins G., Sanz F. 2005. Effect of temperature on the nanomechanics of lipid bilayers studied by force spectroscopy. Biophys. J. 89, 4261–4274.
  20. Goksu E.I., Vanegas J.M., Blanchette C.D., Lin W.C., Longo M.L. 2009. AFM for structure and dynamics of biomembranes. Biochim. Biophys. Acta. 1788, 254–266.
  21. Batishchev O.V., Shilova L.A., Kachala M.V., Tashkin V.Y., Sokolov V.S., Fedorova N.V., Baratova L.A., Knyazev D.G., Zimmerberg J., Chizmadzhev Y.A. 2016. pH-dependent formation and disintegration of the influenza A virus protein scaffold to provide tension for membrane fusion. J. Virol. 90, 575–585.
  22. Галимзянов Т.Р., Акимов С.А. 2021. Конфигурации границы упорядоченного домена в липидной мембране на твердой подложке. Биол. мембраны 38, 257–267.
  23. Kondrashov O.V., Akimov S.A. 2022. Effect of solid support and membrane tension on adsorption and lateral interaction of amphipathic peptides. J. Chem. Phys. 157, 074902.
  24. Akimov S.A., Volynsky P.E., Galimzyanov T.R., Kuzmin P.I., Pavlov K.V., Batishchev O.V. 2017. Pore formation in lipid membrane II: Energy landscape under external stress. Sci. Rep. 7, 12509.
  25. Hamm M., Kozlov M.M. 2000. Elastic energy of tilt and bending of fluid membranes. Eur. Phys. J. E. 3, 323–335.
  26. Kondrashov O.V., Galimzyanov T.R., Pavlov K.V., Kotova E.A., Antonenko Y.N., Akimov S.A. 2018. Membrane elastic deformations modulate gramicidin A transbilayer dimerization and lateral clustering. Biophys. J. 115, 478–493.
  27. Leikin S., Kozlov M.M., Fuller N.L., Rand R.P. 1996. Measured effects of diacylglycerol on structural and elastic properties of phospholipid membranes. Biophys. J. 71, 2623–2632.
  28. Rawicz W., Olbrich K.C., McIntosh T., Needham D., Evans E.A. 2000. Effect of chain length and unsaturation on elasticity of lipid bilayers. Biophys. J. 79, 328–339.
  29. Hamm M., Kozlov M.M. 1998. Tilt model of inverted amphiphilic mesophases. Eur. Phys. J. B. 6, 519–528.
  30. Nagle J.F., Wilkinson D.A. 1978. Lecithin bilayers. Density measurement and molecular interactions. Biophys. J. 23, 159–175.
  31. Müller D.J., Fotiadis D., Scheuring S., Müller S.A., Engel A. 1999. Electrostatically balanced subnanometer imaging of biological specimens by atomic force microscope. Biophys. J. 76, 1101–1111.
  32. LeNeveu D.M., Rand R.P., Parsegian V.A. 1976. Measurement of forces between lecithin bilayers. Nature 259, 601–603.
  33. Lipowsky R., Sackmann E. 1995. Handbook of biological physics. Chapter 11. Generic interactions of flexible membranes. Amsterdam: Elsevier Sci., p. 521–602.
  34. Kollmitzer B., Heftberger P., Rappolt M., Pabst G. 2013. Monolayer spontaneous curvature of raft-forming membrane lipids. Soft Matter 9, 10877–10884.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематическое изображение одномерной кромки поры в мембране на подложке. Подложка показана наклонной штриховкой. Ось Oz декартовой системы координат перпендикулярна плоскости подложки; ось Ox перпендикулярна линии кромки поры. Форма нейтральных поверхностей верхнего и нижнего монослоев, а также межмонослойной поверхности описывается функциями Hu(x), Hl(x), M(x) соответственно. Толстой красной линией показана нейтральная поверхность вертикального монослойного участка; ее форма описывается функцией Hv(z). Нейтральная поверхность вертикального монослойного участка непрерывно сопрягается с нейтральной поверхностью нижнего монослоя в точке {X1, Z1}, верхнего монослоя – в точке {X2, Z2}. Толщина гидрофобной части монослоя h.

Скачать (182KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Рассчитанная форма нейтральных поверхностей монослоев и межмонослойной поверхности мембраны вблизи одномерной кромки поры. Кромка обладает трансляционной симметрией вдоль оси Oy, перпендикулярной плоскости рисунка xz. Положение начала координат выбрано таким образом, чтобы самой левой точке мембраны соответствовала координата x = 0. Формы рассчитаны при различных значениях крутизны потенциала взаимодействия с подложкой: а – Ks = 0 (свободная мембрана); б – Ks = 10 kBT/нм4; в – Ks = +∞ (бесконечно сильная адгезия мембраны к подложке). На панели в стрелками показано рассчитанное направление директора nu(x) в верхнем горизонтальном монослое, nl(x) в нижнем горизонтальном монослое, nv(z) в вертикальном монослое.

Скачать (362KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость линейного натяжения кромки поры от крутизны потенциала взаимодействия мембраны с подложкой: а – в линейном масштабе; б – в полулогарифмическом масштабе. Ks = 0 соответствует свободной мембране, Ks = +∞ – случаю бесконечно сильной адгезии мембраны к подложке. Относительное изменение линейного натяжения в полном диапазоне вариации Ks составляет менее 3.5%.

Скачать (213KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025