Equilibrium microphase separation in the two-leaflet model of lipid membranes
提出了一种新的脂质膜的双叶描述。在此框架内，分析了多组分生物膜中的相分离现象。如我们所示，小叶之间的相互作用倾向于抑制宏观相分离（即，脂质的完全分层）。相反，可以发生以形成平衡纳米级域为特征的微相分离。相图的构建和数值模拟揭示不同形态的纳米结构进行。
2015-11-17 cond-mat.soft physics.bio-ph
Simulating Curved Lipid Membranes Using Anchored Frozen Patches
Department of Materials Science and Engineering, Grainger College of Engineering, University of Illinois Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格雷恩工程学院材料科学与工程系）
本文提出一种通过锚定冻结平衡膜片段引入任意曲率的方法，用于模拟弯曲脂双分子层，验证了该方法在平膜上的有效性，并探讨了曲率与膜不对称性的耦合效应及对膜形态和性质的影响。
2025-01-29 cond-mat.soft physics.bio-ph
Protein driven lipid domain nucleation in biological membranes
脂筏是细胞膜上的异质动态脂质结构域，参与多种生物过程，如蛋白质和脂质特异性转运和信号传导。我们对脂筏形成的理解仍然是有限的，这是由于这些结构域{ \it in vivo}的瞬时和难以捉摸的性质，与在人工膜中观察到的稳定的相分离结构域相反。受实验结果的启发，突出了跨膜蛋白的脂筏的相关性，我们研究了粗粒度的分子动力学和伊辛模型模拟脂质结构域成核。我们发现，跨膜蛋白的存在下，可以触发脂质结构域成核在一个平坦的膜，否则混合脂质相。此外，我们研究的脂质结构域中的蛋白质的扩散的作用表明，其流动性受到阻碍的存在下的筏。因此，我们的粗粒度分子动力学和伊辛模型模拟的结果一致地支持跨膜蛋白在脂质结构域的形成和稳定性中发挥的重要作用。
2020-02-04 cond-mat.soft physics.bio-ph
Hydrodynamics of Diffusion in Lipid Membrane Simulations
通过进行分子动力学模拟与高达1.32亿粗颗粒在半微米大小的盒子，我们表明，流体动力学定量解释了有限尺寸的影响，在膜中的脂质，蛋白质和碳纳米管的扩散。由此产生的Oseen校正允许我们提取无限系统的扩散系数和膜表面粘度从膜模拟尽管对数发散的表观扩散系数随箱宽度的增加。扩散的流体动力学理论也适用于具有不对称小叶和嵌入蛋白质的膜，以及复杂的质膜模拟物。
2018-06-15 cond-mat.soft physics.bio-ph
The $(2 + δ)$-dimensional theory of the electromechanics of lipid membranes: I. Electrostatics
针对现有纯力学二维脂质膜模型无法描述电场耦合的问题，本文提出基于低阶谱展开的通用降维方法，构建考虑有限厚度的$(2+δ)$维脂质膜静电学理论，经多几何结构验证与三维理论吻合良好。
2023-01-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Lipid membrane instability and poration driven by capacitive charging
提出了一种新的电脉冲与脂质膜相互作用的模型。使用这个模型，我们表明，当直流电脉冲施加到绝缘脂质膜分离具有不同电导率的流体，通过膜的电容充电电流驱动电流体动力学流动，使膜不稳定。这种不稳定性是短暂的，并随着膜电荷的增加而衰减。体电导率失配在这种不稳定性中起着至关重要的作用，因为它导致膜的物理表面上的电荷积累的不同速率。只要电荷不平衡存在，由电场作用于其自身的感应自由电荷而产生的剪切应力就是非零的。因此，最不稳定的模式与膜充电时间和电流体动力学时间的比率有关。
2010-05-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Phase separation and near-critical fluctuations in two-component lipid membranes: Monte Carlo simulations on experimentally relevant scales
通过基于格子的蒙特卡罗模拟，我们使用DMPC/DSPC脂质混合物作为模型系统，在微米量级的实验相关空间尺度和秒级的时间间隔上研究了双组分脂膜的性质。我们的大规模模拟，使我们能够获得重要的结果，以前没有报道在模拟研究的脂膜。我们发现，在一定范围内的脂质组合物，从流体相到流体-凝胶相共存的相变通过近临界波动进行，而对于其他脂质组合物，这种相变具有准突变的字符。在近临界波动的存在下，观察到脂质分子的瞬态亚扩散。这些功能的系统是稳定的，在我们的模拟中使用的脂质相互作用参数的扰动。线张力表征脂质域中的流体-凝胶共存区域被发现是在pN范围内。当接近临界点时，线张力、流体-凝胶空间涨落的反相关长度以及相应的膜的反序参量磁化率消失。所有这些结果与最近的实验结果模型脂膜。我们的域粗化动力学的分析后，突然淬火的膜的流体-凝胶共存区域揭示了脂质的横向扩散在流体-凝胶相分离过程中起着重要的作用。
2011-02-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
Pore-Spanning Lipid Membrane under Indentation by a Probe Tip: a Molecular Dynamics Simulation Study
我们通过分子动力学模拟研究了悬浮在疏水基底上的纳米孔上的独立脂质膜的压痕。我们发现，在压痕过程中，膜在接触点弯曲，膜的边缘沿孔边缘间歇性地向下滑动，当边缘到达边缘底部时停止滑动。随后继续弯曲，并且大的应变最终在膜中引起相变，从双层结构转变为叉指结构。当压痕足够深时，膜最终破裂。计算了孔区的几个局部物理量，包括脂质分子的倾斜角、排列顺序、夹角和相邻脂质之间的距离。这些量的变化揭示了许多详细的，尚未指定的局部结构的脂质分子下压痕的转变。对压痕力-压痕曲线进行了研究和讨论。结果使微观结构和宏观性质之间的联系，并提供了深入的了解跨越纳米孔的脂质膜的稳定性。
2011-08-25 cond-mat.soft physics.bio-ph
Lipid Segregation on Cylindrically and Spherically Curved Membranes
我们调查如何外部施加的曲率影响脂质分离的两相共存膜。我们表明，弯曲模量对比度的两个阶段和曲率共同作用，产生一个减少的有效线张力。在大部分弯曲的膜上，由于一种类似于II型超导体中形成磁涡旋的机制，形成了多个畴（或筏）的状态。我们确定了这种多畴态发生的判据，然后分别计算了圆柱形和球形弯曲膜上形成的畴的大小。
2013-03-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
Lipid membrane deformation in response to a local pH modification: theory and experiments
我们研究的变形的脂质膜响应于局部pH值的修改。在实验中，将碱性溶液显微注射到巨大的单层囊泡附近。局部变形出现在最接近微量移液管的膜区域中，并且当注射停止时松弛。对这一现象进行了理论描述。它充分考虑了氢氧离子浓度的时空演变过程中和之后的显微注射，以及膜的线性动力学。本说明适用于与膜脂质可逆反应的任何物质的局部注射。我们比较实验数据中得到的域的小变形，我们的线性描述的结果，我们得到了很好的理论和实验之间的协议。此外，我们提出了直接的实验观察的pH值分布在膜上的显微注射期间和之后，使用pH敏感的荧光脂质。
2012-05-05 cond-mat.soft physics.bio-ph
The $(2+δ)$-dimensional theory of the electromechanics of lipid membranes: III. Constitutive models
本文为脂质膜电力学系列第三部分，提出三维本构模型（牛顿流体与弹性弯曲惩罚）及反应应力，推导出 $(2+δ)$ 维运动方程，以捕获膜厚度效应。
2025-02-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
The $(2+δ)$-dimensional theory of the electromechanics of lipid membranes: II. Balance laws
本文通过降维方法推导脂质膜电机力学的$(2+δ)$维有效表面理论，在不取零厚度极限下纳入有限厚度效应，满足界面连续条件并捕捉麦克斯韦应力。
2025-02-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
Translational diffusion coefficients of membrane protein aggregates in free and supported lipid membranes
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
本文通过Kirkwood-Riseman理论研究了膜蛋白聚集体在自由和支撑脂膜中的扩散行为，揭示了流体动力学相互作用对扩散系数的影响，并提出了一种有效计算方法。
2025-11-30 cond-mat.soft physics.bio-ph
flippy: User friendly and open source framework for lipid membrane simulations
动物细胞被脂质双层膜包裹和细分。除了作为边界外，这些膜的形状还影响细胞及其隔室的功能。物理上，膜是具有复杂弹性行为的二维流体，这使得除了少数简单情况之外，不可能通过分析预测膜形状。相反，生物膜的形状和行为可以通过模拟来确定。然而，这种模拟的设置和使用需要大量的编程背景。开源和用户友好的软件包，用于模拟生物膜的可用性需要改进。在这里，我们提出flippy，一个开源软件包，用于模拟脂质膜的形状，它们与蛋白质或外部颗粒的相互作用，以及外力的影响。我们的目标是提供一个易于使用的工具，而不牺牲性能或多功能性。Flippy是动态三角形膜的实现。我们使用一个精确而快速的算法来计算膜的几何性质，也可以考虑局部自发曲率，这是一个并非所有离散化都允许的特征。最后，在flippy中，我们还可以包括纯弹性（非流体）膜的区域，从而探索生命系统中遇到的各种形状。
2023-03-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Local stress in cylindrically curved lipid membrane: insights into local versus global lateral fluidity models
本研究针对脂质膜横向剪切模量难以确定的问题，通过分子动力学模拟分析圆柱弯曲膜局部应力，验证全局流动性模型（单分子层厚度积分消失而非局部模量为零），为膜弹性建模及生物过程模拟提供关键依据。
2024-10-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Local Mechanical Response of Lipid Membranes to Tilt Deformation
A. N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院 A.N. 弗鲁姆金物理化学与电化学研究所）
本研究通过分子动力学模拟探究脂质膜横向剪切变形的局部弹性特性，揭示其诱导局部应力分布各向异性的泊松效应，确定局部横向剪切模量并推导出相关积分弹性参数，且倾斜模量与独立分析结果一致。
2025-09-05 cond-mat.soft physics.bio-ph
Two- or three-step assembly of banana-shaped proteins coupled with shape transformation of lipid membranes
BAR超家族蛋白具有香蕉形结构域，其导致脂质膜的局部弯曲。我们研究如何这样的局部各向异性曲率诱导蛋白质之间的有效相互作用，并使用无网格膜模拟改变囊泡和膜管的全局形状。蛋白质被建模为香蕉形的杆强烈粘附在膜上。我们的研究表明，棒组装通过两个连续的定向相分离不同于传统的二维相分离。随着杆曲率的增加，在膜管中，杆沿着方位角方向组装，随后沿着纵向方向组装，伴随着管的形状转变。在囊泡中，除了这两个组装过程之外，杆曲率的进一步增加诱导管状支架形成。
2014-08-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Microparticle assembly pathways on lipid membranes
了解微粒和脂质膜之间的相互作用越来越重要，特别是对于揭示微塑料对我们健康和环境的影响。在这里，我们研究如何一个短程的微粒和模型脂膜之间的粘附力导致膜介导的颗粒组装。使用共聚焦显微镜，我们观察到最初的颗粒附着在膜上，然后颗粒包裹，并在罕见的情况下自发的膜tuberance。在附着状态下，我们测量到粒子迁移率降低了26%。如果多个粒子附着在同一个囊泡上，它们最初的单粒子状态决定了它们的相互作用和随后的组装途径：1）当小的粘附囊泡存在于溶液中时，附着的颗粒仅聚集，2）包裹的颗粒通过膜变形可逆地相互吸引，和3）包裹的和附着的颗粒的组合形成膜介导的二聚体，其进一步组装成各种复杂结构。仅由短程膜-颗粒粘附诱导的不同组装途径的实验观察表明，微粒聚集不需要细胞骨架或其他活性组分。我们认为，这种膜介导的微粒聚集是背后的聚合物微粒在生物体中的保留时间长的报道的原因。
2017-03-31 cond-mat.soft physics.bio-ph
The interplay between membrane viscosity and ligand-binding receptor kinetics in lipid bilayers
本研究通过引入依赖于应变水平的黏度构建脂质双层黏弹性本构模型，揭示了膜黏度与配体结合受体动力学的相互作用，为脂质筏活性及细胞力学信号传导提供了新见解。
2024-09-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
A New Method for Measuring Edge Tensions and Stability of Lipid Bilayers: Effect of Membrane Composition
本文报道了一种新的测量脂膜边缘张力的简便方法。该方法是基于电穿孔的巨型单层囊泡和孔闭合动力学分析。我们应用这种方法来评估膜的边缘张力与四种不同的组合物：卵磷脂（EggPC），二油酰磷脂酰胆碱（DOPC），后者与胆固醇和二油酰磷脂酰乙醇胺（DOPE）的混合物。我们的数据证实了EggPC和DOPC的先前结果。向DOPC膜中添加17摩尔%胆固醇导致膜边缘张力增加。相反，当将相同分数的DOPE添加到膜中时，观察到边缘张力的降低，考虑到分子的倒圆锥形几何形状，这是意想不到的结果。据推测，脂间氢键是这种行为的起源。此外，发现胆固醇降低DOPC双层的溶解张力。这种行为与在由硬脂酰油酰磷脂酰胆碱制成的双层上观察到的行为不同，表明胆固醇以脂质特异性方式影响膜的机械稳定性。
2011-02-10 cond-mat.soft physics.bio-ph
Melting of Single Lipid Components in Binary Lipid Mixtures: A Comparison between FTIR Spectroscopy, DSC and Monte Carlo Simulations
采用Monte Carlo（MC）模拟、差示扫描量热（DSC）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）研究了1，2-二肉豆蔻酰-D_（54）-sn-甘油-3-磷酸胆碱（DMPC-d_（54））和1，2-二硬脂酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱（DSPC）双组分膜中单组分的熔融行为。可以使用FTIR研究单一脂质物质的温度依赖性熔融的微观信息。MC模拟的结果可以很好地描述所测量的微观行为。这些模拟还允许计算用DSC确定的热容曲线。这些光谱提供了FTIR无法获得的关于熔融态和熵变的宏观信息。因此，MC模拟使我们能够将FTIR和DSC这两种不同的实验方法联系起来。
2008-01-03 physics.bio-ph
Unitary response of solvatochromic dye to pulse excitation in lipid and cell membranes
在空气-水界面处的脂质单分子层中存在声脉冲传播是众所周知的。这些脉冲由脂质膜的热力学状态控制。然而，声脉冲在细胞内和细胞间通讯中的作用仍然是一个有争议的问题。在这里，我们使用的染料二4-ANEPPDHQ，这是已知的是敏感的物理状态和跨膜电位的膜，为了深入了解压缩波在基于脂质的膜界面。将染料掺入到由磷脂酰丝氨酸或磷脂酰胆碱在空气-水界面制成的脂质单层中。当单分子膜的状态从液体膨胀（LE）到液体凝聚（LC）相时，检测到发射光谱的显著蓝移。在使用本体溶剂二甲基亚砜（DMSO）的实验中，二-4-ANEPPDHQ的这种转变敏感性被概括。在溶剂结晶时，发射光谱也经历蓝移。在脂质单层的压缩脉冲，一个显着的荧光响应时，只观察到在主要的过渡制度。这些波的光学特征，在符号和幅度方面，是相同的二-4-ANEPPDHQ在神经元和可兴奋的植物细胞的动作电位过程中的反应。这些发现证实了动作电位是在细胞膜中传播的非线性状态变化的建议。
2022-11-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
Undulation instability in a bilayer lipid membrane due to electric field interaction with lipid dipoles
双层脂质膜（BLM）是所有生物系统的重要组成部分，形成细胞和细胞器与周围环境的功能屏障。形成膜的脂质分子含有永久性和诱导性偶极，当横向场足够强时，电场可以诱导孔的形成（电穿孔）。在这里，一个现象学的自由能被构造来模拟BLM对横向静态电场的响应。该模型包含一个连续描述的膜偶极子和头群偶极子和膜倾斜之间的耦合。膜被发现变得不稳定，通过屈曲模式，这是弱耦合到膜的厚度波动。厚度波动，随着膜屈曲产生的界面面积的增加，增加了局部膜破裂的可能性，这可能导致孔的形成。的不稳定性被发现强烈依赖于偶极头基和膜倾斜之间的耦合的强度，以及偶极有序的程度在膜。
2010-05-11 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Tracking single particles on supported lipid membranes: multi-mobility diffusion and nanoscopic confinement
在过去的二十年里，支撑的脂质双层被广泛研究。在这项工作中，我们研究了直径为20 nm的单个金纳米颗粒（GNP）连接到GM1神经节苷脂或DOPE脂质在不同浓度的DOPC双层支持的扩散。GNP的无限光稳定性与干涉散射显微镜（iSCAT）的高灵敏度相结合，使我们能够在1 ms的时间分辨率下实现1.9 nm的空间精度，同时保持较长的记录时间。我们的轨迹可视化强烈的瞬态约束内域小至20 nm，和数据的统计分析揭示了多个迁移率和偏离正常扩散。我们提出了一个详细的分析，我们的研究结果，并提供解释的支持基板和GM1集群的影响。我们还评论了使用高速iSCAT研究脂质，蛋白质或病毒在脂质膜中的扩散，具有前所未有的空间和时间分辨率。
2013-12-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
Hydrodynamics of molecular rotors in lipid membranes
本研究针对分子转子测膜黏度值偏高的问题，提出其弛豫时间受膜黏度与双层间摩擦共同影响的理论，给出校正因子，为利用已知膜黏度提取难测的双层间摩擦提供了可能。
2024-12-12 cond-mat.soft physics.bio-ph
Coupling of Lipid Phase Behavior and Protein Oligomerization in a Lattice Model of Raft Membranes
Ben Gurion University of the Negev（内盖夫本-古里安大学）
研究探讨了脂质相行为与蛋白质寡聚化之间的耦合机制，通过晶格蒙特卡罗模型分析蛋白质-脂质相互作用与蛋白质-蛋白质相互作用的平衡对膜蛋白寡聚化的影响。
2026-05-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Pattern formation of phase-separated lipid domains in bilayer membranes
针对GUVs脂质相分离图案与现有理论不符的问题，提出结合膜弹性形变和脂质相分离（由优选双层曲率耦合）的理论，结合解析数值方法解释实验，给出可验证预测，为生物膜空间图案化机制研究提供新方向。
2023-09-10 cond-mat.soft physics.bio-ph
Partitioning of 1-alkanols in composite raft-like lipid membrane
虽然众所周知1-烷醇具有麻醉特性，但其作用方式仍然是个谜。采用原子分子动力学模拟研究了不同链长的1-烷醇在由不饱和二油酰磷脂酰胆碱（DOPC）、饱和二棕榈酰磷脂酰胆碱（DPPC）和胆固醇（Chol）组成的筏状模型膜中的分配，该模型膜呈现出液-序（lo）-液-序（ld）相共存的相结构.模拟结果表明，1-烷醇对膜力学性能的影响随链长的增加而增大，尤其是1-烷醇更倾向于在ld相区分配。对于长链烷醇，1-烷醇在膜中的渗透显著增加。我们还发现了1-链烷醇上的脂质和膜的刚性的链的顺序的依赖性。
2018-06-06 cond-mat.soft physics.bio-ph
Physical mechanisms of micro- and nanodomain formation in multicomponent lipid membranes
本文总结了文献中提出的各种物理机制，这些机制可以在多组分脂质双层和生物膜中产生微米和纳米结构域。它主要关注不涉及直接蛋白质-蛋白质相互作用的脂质驱动机制。具体地说，它考虑了（i）基于脂-脂相分离的平衡机制，如接近临界点的临界团簇形成，以及弯曲几何形状中的多个域形成，（ii）稳定二维微乳液的平衡机制，如双分子层和单分子层中的线性作用和曲率-组成耦合的作用，以及（iii）由生物膜与细胞环境的相互作用引起的非平衡机制，例如膜再循环和细胞质的钉扎效应。理论预测与模拟和实验一起讨论。介绍是由相变和临界现象的理论指导，并在附录中总结了数学背景在金兹伯格-朗道理论的框架内以简洁的方式。
2016-11-13 cond-mat.soft physics.bio-ph
The irreversible thermodynamics of curved lipid membranes
本文介绍了任意曲面脂膜的不可逆热力学理论。弹性弯曲和不可逆过程，如膜内脂质流动，膜内相变，蛋白质结合和扩散之间的耦合进行了研究。得到了不可逆过程的熵产生形式，并确定了相应的热力学力和通量。采用线性不可逆热力学框架，运动的控制方程以及适当的边界条件。
2018-03-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
A planar lipid bilayer in an electric field: membrane instability, flow field and electrical impedance
对于许多生物技术应用，更好地理解电场对脂质膜产生的影响将是有用的。本文综述了在正常直流或交流电场中平面脂质膜及其周围电解质的静电性质的几个方面。在平面几何形状中，电动方程的分析可以进行得相当远，允许解析地表征德拜层中的电荷积累的稳态和动态，这是由电场的应用引起的。对于在一个外加直流电场的导电膜，我们表征的弹性模量的修正，膜波动不稳定性的外观和相关的流量是建立在膜附近。对于在一个应用的AC电场中的膜，我们解析地从基本的电动力学方程推导出阻抗。我们讨论了不同的相关影响，由于膜的电导率或由于体扩散系数的离子。特别感兴趣的是膜仅对一种类型的离子具有选择性导电性的情况。这些结果，及其未来的扩展，应该是有用的阻抗谱数据的解释，用于表征，例如，离子通道嵌入在平面双层。
2011-02-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Solvent-free coarse-grained lipid model for large-scale simulations
提出了一种由球形粒子和取向矢量组成的粗粒度分子模型，用于在大尺度上模拟脂质膜。溶剂隐含地由粒子之间的有效吸引相互作用表示。双层结构是由取向相关（倾斜和弯曲）的潜力。在该模型中，膜的性质（弯曲刚度，膜边缘的线张力，面积压缩模量，横向扩散系数，和翻转率）可以在很宽的范围内变化。通过液滴-囊泡转变研究了双层膜的稳定性。单层膜的自发曲率的增加可以引起双层膜的破裂和蠕虫状胶束的形成。
2010-10-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Electrodiffusion of Lipids on Membrane Surfaces
脂质和蛋白质的随机横向移位是膜表面上的普遍过程。当这种横向随机扩散由静电相互作用和膜曲率介导时，可以诱导脂质和蛋白质的局部聚集或组织。虽然测量了脂质在不同组成的膜上的横向扩散速率，并计算了预定蛋白质-膜-脂质系统的静电自由能，但聚集和向静电有利状态演化的过程仍然不确定。在这里，我们提出了一个电扩散模型，基于自由能泛函的变分原理，膜表面的多个物种的带电脂质的自洽横向漂移扩散。有限尺寸的脂质建模，以执行膜表面上的脂质浓度的几何约束。一个表面有限元方法，适当的Laplace-Beltrami算子的偏微分方程（PDE）的模型。我们的模型正确地描述了膜表面脂质的饱和度，并正确地预测了MARCKS肽可以通过其碱性氨基酸残基连续地螯合三个多价的磷脂酰肌醇4，5-二磷酸（\pip 2）脂质，即使在膜上存在大部分单价磷脂酰丝氨酸（PS）。PDE的溶液也显示了脂质螯合的盐依赖性。
2012-05-24 cond-mat.soft math.AP physics.bio-ph
Geometric pinning and antimixing in scaffolded lipid vesicles
揭开脂质结构域组织背后的物理机制是细胞生物学和膜生物物理学的核心目标。以前的研究细胞和模型脂质双层具有相分离的域发现膜的几何形状和它的化学组成之间的复杂的相互作用。然而，缺乏一个模型系统，同时控制膜的形状和保护其组成排除了曲率引起的影响的基本理解。在这里，我们提出了一类新的多组分囊泡支持的胶体支架设计的形状。我们发现，域组成适应的几何形状，从而产生一种新的“反混合”状态。理论建模使我们能够链接的高曲率区域的膜的材料参数的域的钉扎。我们的研究结果提供了关键的见解相分离的细胞膜和曲面一般。
2018-04-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Local stress and elastic properties of lipid membranes obtained from elastic energy variation
本文提出一种基于应力分布矩导数的脂质膜弹性参数计算方法，通过全局不可压缩性假设可测局部泊松比，并建立了弯曲模量与高斯曲率模量的直接关系。
2022-06-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Active emulsions in living cell membranes driven by contractile stresses and transbilayer coupling
细胞表面蛋白质和脂质的时空组织对信号传导、分选和内吞作用具有直接的功能性后果。早期的研究表明，多种类型的膜蛋白，包括具有细胞质肌动蛋白结合能力的跨膜蛋白和脂质束缚的GPI锚定蛋白（GPI-AP），形成由肌动蛋白皮质产生的主动收缩流驱动的纳米级簇。为了深入了解脂质在活细胞中组织膜结构域的作用，我们研究了促进GPI-AP和跨膜蛋白的积极生成的纳米簇的分子相互作用。这激发了理论描述，其中主动收缩应力和跨双层耦合的组合驱动活性乳液、GPI-AP和脂质的中尺度液体有序（lo）域在大于平衡脂质相分离的温度下的产生。为了测试这些想法，我们使用空间成像的homo-FRET结合本地膜秩序，并证明介观域丰富的GPI-AP的纳米簇保持皮层肌动蛋白活性和transbilayer相互作用，并表现出显着的脂质秩序，与预测的活性复合模型一致。
2022-04-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Membrane stress tensor in the presence of lipid density and composition inhomogeneities
我们推导出密度和组成不均匀的单组分和双组分脂膜的应力张量的表达式。首先，利用虚功原理将薄膜应力张量表示为自由能量密度的函数。然后，我们将这一一般性的结果，单层模型，这是一个局部版本的区域差异弹性（ADE）模型。由此产生的应力张量表达式概括了与Helfrich模型相关的应力张量表达式，并且可以被专门化以获得与ADE模型相关的应力张量表达式。我们的应力张量直接给出了通过密度和成分不均匀性的单层边界交换的力。此外，它产生的力密度，这也是直接获得的协变形式主义。我们应用我们的结果来研究由局部扰动引起的膜中的力。
2011-04-06 cond-mat.soft physics.bio-ph
Long-range attraction of particles adhered to lipid vesicles
许多生物系统将脂质膜的薄片折叠成复杂的三维结构。这种微观折纸通常由蛋白质在膜上的吸附和自组装介导。作为研究吸附介导的相互作用的模型系统，我们研究了粘附在脂质囊泡上的微米颗粒的集体行为。我们使用粒子轨迹的极大似然分析来估计胶体相互作用。当粒子被一个张力膜高度包裹时，我们观察到强烈的长程吸引力，典型的结合能为150 $k_B T$，并且有显著的力延伸到几微米。
2016-10-10 cond-mat.soft physics.bio-ph
Coarse-grained molecular dynamics simulation of binary charged lipid membranes: Phase separation and morphological dynamics
生物膜主要由中性和带电的脂质组成，具有多种功能结构和动力学。在这里，我们报告了一个粗粒度的分子动力学（MD）模拟的相分离和形态动力学在带电的脂质双层囊泡。与中性囊泡相比，带电囊泡中电荷头基之间的屏蔽长程静电斥力延迟或抑制了侧向相分离，表明相分离机制从旋节分解转变为成核或均匀分散。此外，静电斥力导致形态学的变化，如孔的形成，并进一步转化为磁盘，字符串，和bicelle结构，这是时空耦合到带电脂质的横向隔离。基于我们的粗粒度MD模拟，我们提出了一个合理的机制，在分子水平上的孔形成。在一个带电的脂质丰富的域中的孔的形成是由在域中的局部分子取向的先前的干扰。
2016-11-04 cond-mat.soft physics.bio-ph
Elasticity and mechanical instability of charged lipid bilayers in ionic solutions
我们使用粗粒度的蒙特卡罗模拟来研究一价和五价反离子溶液中带电膜的弹性性质。两种情况下的仿真结果显示出相反的趋势。抗弯刚度和投影面积的增加与膜电荷密度为单价抗衡离子，而五价离子的减少。这些观察结果可能与脂质电荷的计数器筛选有关。而单价抗衡离子仅弱屏蔽库仑相互作用，这意味着排斥库仑系统，多价抗衡离子凝聚在膜上，并通过空间电荷相关性，使有效的相互作用，由于带电的脂质吸引。在一价和多价反溶液中的带电膜的弹性性质的差异反映在导致它们在高电荷密度下的机械不稳定性的机制中。在前一种情况下，膜开发孔，以减轻静电拉伸应力，而在后一种情况下，膜表现出大的波长弯曲不稳定性。
2014-07-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
Au Nanoparticles in Lipid Bilayers: a Comparison between Atomistic and Coarse Grained Models
带电的，配体保护的金属纳米粒子和模型脂质膜之间的相互作用的计算研究最近已解决在原子和粗粒度的水平。在这里，我们比较了三个版本的粗粒度马提尼力场在描述纳米粒子膜相互作用的性能。这三个粗粒度的模型在处理长程静电相互作用和水的极化率方面有所不同。NP-膜相互作用包括从亚稳态NP-膜复合物（其中NP仅部分嵌入膜中）到NP锚定到两个膜小叶的构型的转变。所有这三个粗粒度的模型提供了一个描述的亚稳态NP-膜复合物是一致的，使用原子力场。对于锚定跃迁，极化水Martini正确地描述了跃迁的分子机制和能量学。相反，标准版本的Martini模型低估了锚定的自由能势垒，并且没有完全捕获过渡过程中涉及的膜变形。
2017-03-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
Chain-Length-Dependent Partitioning of 1-Alkanols in Raft-Like Lipid Membranes
SASTRA University（萨斯特拉大学）
研究揭示了1-醇链长对类RAFT脂双层结构和机械响应的影响，发现链长依赖的分区行为及其对膜物理性质的调控作用。
2026-01-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Lipid membrane-mediated attractions between curvature inducing objects
膜蛋白的相互作用对于许多生物过程至关重要，例如细胞运输、细胞分裂和神经细胞之间的信号转导。理论上的考虑导致了这样的想法，即膜本身介导蛋白质自组织在这些过程中，通过最小化膜曲率能量。在这里，我们提出了一个相结合的实验和数值研究中，我们直接量化这些相互作用的第一次。在我们的实验模型系统中，我们通过粘附胶体颗粒来控制脂质膜的变形。使用共聚焦显微镜，我们建立了这些膜变形导致一个有吸引力的相互作用力，导致可逆的结合。吸引力延伸超过2.5倍的颗粒直径，并且具有三倍于热能（-3.3 kT）的强度。系统的粗粒度蒙特卡罗模拟与实验结果非常吻合，并证明了测量的相互作用与长度尺度无关。我们的实验和数值计算结果相结合，揭示了膜曲率作为一个共同的物理起源之间的相互作用的任何膜变形的对象，从纳米大小的蛋白质到微米大小的颗粒。
2016-11-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
A vesicle microrheometer for high-throughput viscosity measurements of lipid and polymer membranes
本研究提出一种基于巨型单层囊泡瞬态变形的膜粘度测量新方法，可无创高通量检测多种脂质和聚合物膜粘度，发现不同膜体系的流变特性差异及膜极化对粘度的调控作用。
2021-09-04 cond-mat.soft physics.bio-ph
Defect formation of lytic peptides in lipid membranes and their influence on the thermodynamic properties of the pore environment
我们提出了一个实验研究模型磷酸胆碱脂质膜的小的两亲性肽的孔形成过程。我们使用原子力显微镜来表征空间组织和结构的丙甲霉素和蜂毒肽诱导的缺陷在脂质双层膜和局部膜特性的肽的影响。在不同的肽浓度下，直接观察凝胶DPPC膜中丙甲霉素诱导的孔。我们发现，凝胶膜中的脂质的热力学状态可以受到丙甲霉素的存在下，这样的纳米级域的流体脂质形成接近的肽孔，和膜的弹性常数在其附近被改变。蜂毒肽诱导的孔在DPPC和DLPC膜中在室温下可视化，以研究膜状态对肽诱导的孔形成的影响。差示扫描量热法也被用来研究丙甲霉素对脂膜相行为的影响。
2006-09-07 physics.bio-ph
Challenges in theoretical investigations on configurations of lipid membranes
本文综述了脂膜构型理论研究的一些重要成果，并提出了该领域的一些挑战，包括：（i）脂囊泡形状方程的精确解;（ii）开放脂膜控制方程的精确解;（iii）两相囊泡在出芽状态下的颈条件;（iv）膜弹性的非局部理论;（v）对称性与自由能大小的关系。
2013-01-24 cond-mat.soft math-ph math.DG
Nanoscale membrane budding induced by CTxB on quasi-one component lipid bilayers detected by polarized localization microscopy
对于内吞作用和胞吐作用，膜通过脂质、蛋白质和碳水化合物的纳米级重组在平面、出芽和囊泡形貌之间转变。然而，以前试图了解纳米级弯曲的初始阶段受到实验分辨率的限制。通过偏光定位显微镜（PLM）的实施，这篇手稿报告的固有膜弯曲能力的霍乱毒素亚基B（CTxB）在准一个组件支持的脂质双层。膜芽首先以<50 nm半径检测到，生长至>200 nm半径，并延伸成更长的小管，依赖于膜张力和CTxB浓度。与平面支撑的脂质双层的浓度相比，CTxB在纳米级膜芽的正曲率顶部上多集中10倍，在负高斯曲率颈部上多集中25倍。这一发现通过将CTxB聚集和扩散与CTxB诱导的膜弯曲相关联来阐明先前的观察结果。CTxB经常被用作液体有序脂质相的标记物;然而，CTxB和膜弯曲之间的耦合提供了对CTxB诱导的膜重组的另一种理解。对脂质和CTxB进行单颗粒追踪，以揭示单分子扩散、CTxB蓄积和膜形貌之间的相关性。在纳米级芽位置观察到脂质和CTxB扩散减慢，表明膜弯曲时膜粘度或分子拥挤局部增加。这些结果表明，固有的CTxB诱导的膜弯曲作为一种机制，启动CTxB内化的细胞，最初是独立的网格蛋白，小窝蛋白，肌动蛋白，和脂质相分离。
2017-03-30 physics.bio-ph
The surface charge of a cell lipid membrane
本文研究了浸于生理溶液中的脂膜表面电荷问题。结果表明，双层磷脂膜表面两侧均带负电荷。建立了溶液中电位的自洽模型，发现膜表面存在一个固定的电荷密度，表明表面电荷离子位于相对较深的势阱中（与kBT相比），该势阱位于磷脂膜的偶极头附近。它使得离子不可能沿着膜表面滑动。简单的实验验证所考虑的模型的正确性。一个发达的方法可以用于估计的细胞的外膜和内膜上的表面电荷。
2014-10-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
pH Sensing by Lipids in Membranes: The Fundamentals of pH-driven Migration, Polarization and Deformations of Lipid Bilayer Assemblies
大多数生物分子含有调节其结构和相互作用的酸碱基团。结果是pH梯度、局部异质性和动态变化被细胞和生物体用来驱动或调节特定的生物功能，包括能量代谢、囊泡运输、迁移和发育中组织的空间模式。虽然pH值在蛋白质功能中的直接或调节作用已得到充分证明，但氢离子和氢氧根离子在调节脂质组装体（如双层膜）性质中的作用才刚刚开始被理解。在这里，我们回顾的方法，使用人工脂质囊泡，已有助于提供一个理解的pH梯度和局部变化对膜矢量运动过程的影响：迁移，膜曲率的影响，促进全球或局部变形，拥挤产生的分离极化过程。在pH值引起的局部变形的情况下，一个广泛的理论框架，并应用到一个特定的生物问题，即线粒体嵴的结构和稳定性，进行了描述。
2018-03-15 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Motion of objects embedded in lipid bilayer membranes: advection and effective viscosity
提出了一种界面正则化的Stokeslet方案来预测嵌入流动脂质双层膜中的固体（例如蛋白质或凝胶相结构域）的运动。该方法提供了一种数值途径来计算复杂流场中的速度和角速度，这些流场不适合于简单的Faxén近似。此外，当施加到剪切运动，计算产生的有效表面粘度的稀刚体负载膜的预测。在圆柱形蛋白质的情况下，有效的粘度计算相比，从文献中的两个先前的分析预测。有效的粘度预测的棒状物体在膜中的稀悬浮液。
2019-09-04 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Resolving the effects of nanoscale membrane curvature on lipid mobility
由于尺寸依赖性膜行为和光学衍射施加的实验分辨率限制，纳米级曲率的生物物理后果一直具有挑战性。纳米工程和超分辨率技术的最新进展使创造和观察曲率的新能力成为可能。特别地，在光刻图案化的基底上覆盖支持的脂质双层提供了用于内吞凹陷的模型系统。下面给出的实验和模拟描述了通过光漂白后荧光恢复（FRAP）、荧光相关光谱（FCS）、单粒子跟踪（SPT）和偏振定位显微镜（PLM）来检测膜曲率的可能性。FRAP和FCS依赖于衍射极限照明和检测。特别地，FRAP的模拟显示由于在出芽过程中的任何阶段的50 nm直径的膜芽对脂质扩散没有影响。模拟FCS表现出小的影响，由于一个半径为50 nm的膜芽放大曲率依赖性脂质流动性的变化。然而，PLM和SPT通过以<15 nm的空间分辨率和<20 ms的时间分辨率鉴定单脂质位置来实现膜出芽和脂质流动性的亚衍射极限分辨率。通过将单个脂质步长映射到膜上的位置，已经解决了曲率对脂质行为的影响。
2017-05-31 physics.bio-ph
Atomistic picture of fluorescent probes with hydrocarbon tails in lipid bilayer membranes: an investigation of selective affinities and fluorescent anisotropies in different environmental phases
通过恢复到光谱学，可以监测荧光探针的生物环境的变化，并且可以检测周围脂质双层膜的各种相的存在。这项研究突出了重要的差异，在方向和位置，因此在效率之间的探针，当它们被用于荧光显微镜筛选各种脂质双层膜相。依赖于脂质的组成，两种探针的过渡态偶极矩和膜的法线之间的角度被发现明显偏离90°。可以看出，DiI-C18（5）探针位于SM：Chol混合物的头基区域，与水分子紧密接触。荧光各向异性研究还表明，与其他考虑的膜相比，DiI-C18（5）在SM：Chol膜中产生了独特的行为。对于所研究的BODIPY探针，还没有看到后一种行为，其位于膜的更深处。
2019-10-22 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Solvent hydrodynamics enhances the collective diffusion of membrane lipids
膜脂的集体运动超过数百纳米和纳秒是至关重要的亚微米复合物的脂质和蛋白质在细胞膜中的形成。这些动力学很难通过实验获得，目前也知之甚少。著名的Saffman-Debrück（SD）理论的结论之一是，小于Saffman长度（微米）的脂质扰动不受包埋溶剂流体动力学的影响。使用分子动力学和粗粒模型与隐式流体力学，我们表明，这是不正确的。膜和溶剂之间的流体动力学相互作用强烈地增强了所有尺度的脂质的短时间集体扩散。在膜和溶剂之间在法向方向上转移的动量（SD理论未考虑）在膜上切向传播，从而在脂质之间诱导长程排斥力。因此，脂质集体扩散系数与干扰波长成比例地增加。我们发现定量协议与预测的异常扩散在准二维动力学，观察到的胶体局限于一个平面，但嵌入在3D溶剂。
2018-03-11 physics.bio-ph
Changes in lipid membranes may trigger amyloid toxicity in Alzheimer's disease
淀粉样β肽（A \b{eta}）与阿尔茨海默病（AD）有关，与细胞膜相互作用并诱导淀粉样毒性。细胞膜的组成在衰老和AD中发生变化。我们设计了多组分脂质模型来模拟神经元膜的健康和患病状态。利用原子力显微镜（AFM），开尔文探针力显微镜（KPFM）和黑脂膜（BLM）技术，我们证明了这些模型膜在其纳米级结构和物理性质的不同，并与A \b{eta}不同的相互作用。基于我们的数据，我们提出了一个新的假设，即由于衰老和AD引起的脂质膜变化可能通过静电机制触发淀粉样蛋白毒性，类似于公认的抗菌肽作用机制。了解膜变化作为关键激活淀粉样蛋白毒性的作用可能有助于开发预防和治疗AD的新途径。
2017-04-27 physics.bio-ph
