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
Lipid exchange enhances geometric pinning in multicomponent membranes on patterned substrates
支持的脂质双层具有液体有序/无序域的实验已经表明，脂质域的空间排列和它们的化学组成强烈地受基板的曲率的影响。此外，理论预测表明，这两种效果是密切相关的双层的封闭拓扑结构。在这项工作中，我们测试这一假设制造支撑膜组成的各种形状的胶体颗粒躺在一个平面基板。单个脂质双层包覆胶体和基质两者，允许它们之间的局部脂质交换，从而使系统在化学上开放，即能够与胶体附近的外部储库交换热量和分子。通过重建该系统的吉布斯相图，我们表明，自由能景观直接影响的几何形状的胶体。此外，我们发现，当地的脂质交换增强钉扎的液体无序相在高度弯曲的地区。这使我们能够提供域的弯曲模量差的估计。最后，通过结合实验和数值数据，我们预测的结果可能的实验悬链线和锥形颈部，并表明，这些几何形状可以大大提高精度的弯曲模量的当前估计。
2019-12-04 cond-mat.soft
Hydrodynamics of Multicomponent Vesicles Under Strong Confinement
本文数值模拟强约束下多组分囊泡的流体与膜动力学，提出正定性弯曲模量参数化，并揭示狭窄段和收缩通道中脂质相分离、粗化抑制及释放后快速演化规律。
2023-08-17 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Lipid domain coarsening and fluidity in multicomponent lipid vesicles: A continuum based model and its experimental validation
通过相分离实现异质和空间组织表面的脂质体已被认为是用于递送目的的有前途的平台。然而，通过实验进行设计和优化可能是昂贵且耗时的。为了协助设计并降低相关成本，我们提出了一个基于连续介质力学和热力学原理的膜粗化动力学建模计算平台。该模型将相分离耦合到侧向流动，并考虑了不同相内的不同膜流动性，这已知会影响脂质膜上的粗化动力学。模拟结果与实验数据一致，在液体有序域面积分数，总域周长随时间的推移和域的总数随时间的两种不同的膜组合物（DOPC：DPPC与1：1的摩尔比与15%的胆固醇和DOPC：DPPC与1：2的摩尔比与25%的胆固醇），产生相反的和几乎反相行为。这种定量验证表明，开发的平台可以是一个有价值的工具，在补充实验实践。关键词：多组分膜;膜流动性;膜相分离;计算建模;荧光显微术;脂质体
2021-11-04 cond-mat.soft cs.NA math.NA
Protein induced lipid demixing in homogeneous membranes
特定的脂质环境对于在膜中建立蛋白质信号平台是必要的，但它们的起源一直备受争议。我们提出了一个连续的，精确可解的模型蛋白质诱导的局部分层的脂膜。局部组合物和膜的局部厚度之间的耦合诱导包含物周围的脂质结构域与疏水性失配，甚至对于高于膜的可溶解性临界点的温度。该模型定性地解释了实验观察到的形成脂质结构域诱导锚定的重组肌动蛋白在平面支持的脂质双层。
2021-10-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
On the phase behaviour of pure PSPC and PEGylated multi-component lipid and their interaction with Paclitaxel: An all-atom MD study
研究纯脂质和多组分脂质在不同温度下的结构行为以及这些多组分脂质与药学上重要药物的相互作用具有巨大的重要性。在这里，我们研究了纯PSPC（1-棕榈酰-2-硬脂酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱），多组分PSPC和DSPE-PEG 2000（1，2-二硬脂酰-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-N [氨基（聚乙二醇）-2000]）膜在7个不同的温度范围从280 K到360 K的相行为，并计算了它们的结构特性。我们观察到从凝胶相到液晶相之间的320 K和330 K的过渡与纯PSPC的实验报告一致。PSPC在320 K和310 K时保持在倾斜的凝胶相L \b{eta} $'$中，在300 K时进入“混合有序”结构域，并形成部分交叉区，在280 K时形成亚凝胶相。我们研究了多组分PSPC和DSPE-PEG 2000膜的自组装，发现在320 K下有序相和无序相共存。与纯PSPC相比，对于多组分体系，这种转变是渐进的，并且在320 - 310 K之间发生完全的液晶到凝胶相转变。我们进一步研究了紫杉醇与纯PSPC和聚乙二醇化的多组分脂质双层的相互作用，观察到PEG促进紫杉醇与后者的相互作用相比，前者。在双层转变温度以上，紫杉醇与双层的相互作用更多，并且对于两个系统都容易进入双层内部。了解聚乙二醇化多组分脂质双层与Paclitaxel的结构和相互作用行为将有助于探索Paclitaxel在未来的药物应用。
2021-03-25 cond-mat.soft
Active processes make mixed lipid membranes either flat or crumpled
活细胞膜是否表现出可折叠性相变（MPTs），如果是这样，它们在相变附近如何波动仍然是物理学和生物学中悬而未决的问题。受这些问题的启发，我们构建了脂膜的通用流体动力学理论（脂膜是活跃的，例如，由于周围细胞骨架中的分子马达，或膜本身中的活性蛋白质组分）。我们利用这一点来揭示膜波动和MPTs之间的直接对应关系。几个可测试的预测：（i）通用{ \em主动硬化}与取向长程序（平膜）或{ \em软化}与膜的褶皱，由{ \em主动张力}控制和（ii）对于混合脂质膜，捕获的性质推定MPTS通过测量膜构象波动。混合活性膜中可能存在一级和二级MPTs。接近二级MPT时，主动硬化（软化）表现为{ \em超硬（超软）膜}。我们的预测在各种{ \em体外}系统中是可检验的，例如，沉积在脂质体和脂质膜上的活细胞骨架提取物，其中含有包埋在被动流体中的活性蛋白质。
2017-11-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
The interplay of geometry and coarsening in multicomponent lipid vesicles under the influence of hydrodynamics
本文研究表面流体动力学如何影响生物膜中曲率与组分的粗化过程，通过含相依赖弯曲项的表面两相流数值模拟，发现流体动力学在组分允许时加速几何有利构型的形成，并用基准问题验证了数值方法。
2023-02-08 cond-mat.soft math-ph math.MP
Bilayer registry in a multicomponent asymmetric membrane : dependence on lipid composition and chain length
细胞膜生物学相当感兴趣的一个问题是跨不对称双层的相分离结构域是否彼此强烈相关，以及一个小叶中的相分离是否可以诱导另一小叶中的分离。我们回答这两个问题是肯定的，使用原子分子动力学模拟研究的3-组分{\em不对称}脂质双层包括不饱和的POPC（棕榈酰-油酰-磷脂酰-胆碱），饱和的SM（鞘磷脂）和胆固醇与不同的组成比例的平衡统计特性。我们的模拟是通过固定的组合物的上部小叶是在共存的液体有序（$l_o$）-液体无序（$l_d$）相，而下部小叶的组合物是不同的相共存制度的混合$l_d$相，跨越一阶相边界。在每个瓣叶的相共存状态下，我们发现两个瓣叶之间的$l_o$结构域具有很强的跨双层相关性，导致{\it双层注册}。这种跨双层相关性敏感地取决于参与脂质的链长和可能的脂质化学的其他特征，如饱和度。我们发现，当下小叶名义上处于混合（$l_d$）相时，上小叶中的$l_o$结构域可以{\em诱导}下小叶中的相分离。
2013-09-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Atomistic simulations of a multicomponent asymmetric lipid bilayer
细胞膜在其组成上是固有的不对称和异质的，这是其功能的关键特征。采用原子分子动力学模拟，研究了由不饱和的棕榈酰-油酰-磷脂酰胆碱（POPC）、饱和的鞘磷脂（SM）和胆固醇组成的三组分不对称混合脂双层体系的物理性质.在这些模拟中，观察到液体有序的$l_o$结构域形成的初始阶段，并且发现这种结构域高度富集胆固醇和SM。目前的模拟还表明，胆固醇分子可以分配到这些SM主导的区域的比例为$3:1$相比，POPC主导的区域。SM分子表现出可测量的倾斜和长程倾斜的相关性内观察到的$l_o$域作为结果的双层的不对称性，与局部膜变形和出芽的影响。SM和胆固醇分子，这反映了空间变化的物理环境中遇到的标记粒子的标记粒子扩散，计算和最近的实验结果相比，从高分辨率显微镜。
2012-04-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Mechanistic Framework for Multicomponent Nanoparticle Assembly: Predicting RNA-lipid and PEI-DNA nanoparticle assembly
Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）
该研究提出结合kMC模拟的计算框架FormLNP，可预测RNA-脂质和PEI-DNA纳米颗粒的单颗粒性质分布，揭示组装路径对异质性分布的影响。
2026-09-04 cond-mat.soft physics.chem-ph
Common anesthetic molecules prefer to partition in liquid disorder phase domain in a composite multicomponent membrane
尽管麻醉药在临床上有着广泛的应用，但我们对全身麻醉的分子水平的理解还远未达到。采用原子分子动力学模拟，研究了常用麻醉剂乙醇、氯仿和甲醇在由不饱和棕榈酰-油酰-磷脂酰胆碱（POPC）、饱和棕榈酰-鞘磷脂（PSM）和胆固醇（Chol）组成的对称多组分脂双层膜中的作用.我们发现，机械和物理性能，如膜的厚度和刚度降低，而在麻醉分子的存在下表现出的膜的横向扩张。我们的模拟显示了复合多组分脂质膜中麻醉剂的横向和横向异质性。乙醇和氯仿均分配在富含POPC的ld相区中，而甲醇分布在两个lo-ld相区中。氯仿可以深入渗透到膜中，而甲醇主要分配在靠近头基的水层处，乙醇分配在膜中脂质的颈部处。
2018-03-13 cond-mat.soft physics.bio-ph
Charge-induced phase separation in lipid membranes
实验研究了含负电荷脂质的脂质双层中的相分离。我们观察到相分离的结构，并确定在几个二元和三元脂质混合物的不饱和中性脂质，二油酰磷脂酰胆碱（DOPC），饱和中性脂质，二棕榈酰磷脂酰胆碱（DPPC），不饱和带电脂质，二油酰磷脂酰甘油（DOPG $^{\scriptsize{(-)}}$），饱和带电脂质，二棕榈酰磷脂酰甘油（DPPG $^{\scriptsize{(-)}}$），和胆固醇的膜溶解温度。在饱和和不饱和带电脂质的二元混合物中，带电头部与烃尾部的饱和度的组合是膜相分离稳定性的主导因素。DPPG $^{\scriptsize{(-)}}$增强相分离，而DOPG $^{\scriptsize{(-)}}$抑制相分离。此外，将DPPG $^{\scriptsize{(-)}}$加入DPPC/胆固醇的二元混合物中诱导富含DPPG $^{\scriptsize{(-)}}$和富含胆固醇的相之间的相分离。这表明胆固醇的定位强烈依赖于亲水性头部基团上的电荷，而不是烃尾部的排序。最后，当DPPG $^{\scriptsize{(-)}}$加入到DOPC/DPPC/胆固醇的中性三元体系（传统的膜筏模型）中时，产生三相共存。最后，我们讨论了一些定性的特点，在带电膜的相行为，使用自由能的方法。
2014-08-19 cond-mat.soft
Identifying the Onset of Phase Separation in Quaternary Lipid Bilayer Systems from Coarse-Grained Simulations
了解（去）混合行为的多组分脂质双层是一个重要的一步，解开的空间组成的异质性在细胞膜的性质和它们在生物功能中的作用。我们使用粗粒度的分子动力学模拟来研究磷脂和胆固醇的四元混合物的组成相图。已知该混合物表现出均匀相和共存相。我们比较和结合膜结构的不同统计措施，以确定在组成空间中的相共存的发病。在我们的方法中的一个重要因素是组成的异质性的系统的大小的依赖。虽然均匀相可以是结构化的并且显示长的相关长度，但是相共存的标志性行为是表观相关长度与系统尺寸的比例。由于后者在模拟中不能轻易改变，因此我们的方法使用从不同大小的观察窗口获得的信息来准确区分相共存和结构均匀相。这种方法是建立在非常普遍的物理原理，并将有利于未来的多组分脂质双层的相行为的研究。
2018-01-16 cond-mat.soft
Experimental validation of a phase-field model to predict coarsening dynamics of lipid domains in multicomponent membranes
膜相分离是生物膜经常用于局部浓缩特定脂质种类以组织不同膜过程的机制。相分离也已被探索作为一种工具，用于设计脂质体与异质性和空间组织的表面。这些“片状”脂质体是用于递送目的的有前景的平台，然而通过实验对其进行设计和优化可能是昂贵且耗时的。我们开发了一种计算效率高的方法的基础上的表面Cahn-Hilliard相场模型，以补充实验研究中的斑片状脂质体的设计。该方法依赖于热力学的考虑来设置数值模拟的初始状态。我们表明，我们的计算方法不仅提供了定性的图片，但也准确的定量信息的动态膜组织。特别是，计算和实验结果在筏面积分数，总筏周长随时间的推移和筏的总数随时间的两种不同的膜组合物（DOPC：DPPC与2：1的摩尔比与20%Chol和DOPC：DPPC与3：1的摩尔比与20%Chol）方面是非常一致的。因此，通过实验得知的计算相场模型具有相当大的潜力，以帮助设计具有空间组织表面的脂质体，从而包含设计过程所需的成本和时间。
2020-06-25 cond-mat.soft cs.NA math.NA
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
Monolayer curvature stabilizes nanoscale raft domains in mixed lipid bilayers
根据脂筏假说，生物脂质膜是横向异质的，并且充满了纳米级有序的“筏”结构域，这些结构域被认为对膜中蛋白质的组织起重要作用。然而，稳定这种小木筏的机制尚不清楚，甚至有时它们的存在也受到质疑。在这里，我们报告的观测筏状结构的粗粒度的多组分脂质双层分子模型。在小尺度上，我们的膜分层成液体有序（lo）和液体无序（ld）相。在大尺度上，相分离被抑制，并在ld环境中让位于包含纳米尺寸lo域的微乳液型状态。此外，我们引入了一种机制，产生筏的有限大小的单层曲率和局部组成之间的耦合。我们发现，在LO和LD相的单分子膜的自发曲率之间的不匹配诱导弹性相互作用，这降低了LO和LD相之间的线张力，可以稳定筏域的特征尺寸为几个纳米的顺序。我们的研究结果表明，筏在多组分双层膜可能是密切相关的调制纹波相位在单组分双层膜。
2013-03-20 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Controlling cargo trafficking in multicomponent membranes
生物膜通常含有大量以小浓度分散在主膜相中的不同组分，包括具有不同几何性质的蛋白质、糖和脂质。大多数这些组件不绑定货物。在这里，我们表明，这样的“惰性”组件可以是至关重要的跨膜贩运的精确控制。使用统计力学模型和分子动力学模拟，我们证明了存在的惰性膜组件的小各向同性曲率显着影响货物内吞，即使这样的膜的总自发曲率保持不变。弯曲的脂质，如胆固醇，以及不对称包含的蛋白质和拴系糖，因此都可以积极参与控制纳米级货物的膜运输。我们发现，即使是弯曲的惰性膜组分的低水平表达也可以确定膜对货物大小的选择性，并且可以用于选择性地靶向某些组合物的膜。我们的研究结果表明，一个强大的和一般的方式来控制货物运输，通过调整膜组成，而不需要改变受体的浓度，也不需要平均膜曲率。这项研究表明，细胞可以准备任何贩运事件，将弯曲的惰性成分在任何膜小叶。
2018-02-25 cond-mat.soft
Conditions for extreme sensitivity of protein diffusion in membranes to cell environments
我们研究蛋白质扩散多组分脂质膜接近一个刚性基板分离的一层粘性流体。利用非线性随机纳维-斯托克斯方程计算了布朗运动的大距离、长时间渐近性，其中考虑了与基底的摩擦效应。平流非线性，忽略了在以前的治疗，在室温下的重整化粘度和扩散系数只给出了一个小的修正。然而，我们发现，在现实的多组分脂质混合物中，接近临界点的相分离，蛋白质扩散获得一个强大的幂律依赖于温度和距离的基板$H$，使其更敏感的细胞环境，不像对数依赖于$H$和非常小的热校正远离临界点。
2006-09-29 cond-mat.soft
Interface geometry of binary mixtures on curved substrates
最近的实验工作的动机多组分脂质膜支持胶体支架，我们报告了一个详尽的理论研究的平衡配置的二元混合物弯曲基板。从Jülicher-Lipowsky推广的Canham-Helfrich自由能的多组分膜，我们推导出一些精确的关系控制的界面分离的两个脂质相的任意形状的基板上的结构和它的稳定性。然后，我们限制我们的分析，四类表面的应用和概念的兴趣：球，轴对称表面，极小曲面和可展曲面。对于每一类，我们调查的结构的几何形状和拓扑结构的接口是如何受到影响的基板的形状，我们作出各种可测试的预测。我们的工作揭示了膜的形状和它的化学组成之间的微妙的相互作用机制，并提供了一个坚实的框架解释支持的脂质双层的实验结果。
2018-06-25 cond-mat.soft 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
Active surface flows accelerate the coarsening of lipid membrane domains
研究马达驱动 actin filaments 产生的活性表面流对脂质膜域粗化的影响，发现其使生长指数提升2倍至 $\sim t^{2/3}$，并基于 Smoluchowski 和相场模型提出理论预测，证明活性物质力可控制膜域生长与形态。
2023-07-30 cond-mat.soft
Finite Phase-separation FRET I: A quantitative model valid for bilayer nanodomains
多组分脂质混合物表现出复杂的相行为，包括在三元混合物中纳米级流体相的共存，模仿哺乳动物质膜的外小叶的组成。负责相域的小尺寸的物理机制是未知的，部分原因是难以确定的尺寸和寿命分布的小，短暂的域。稳态FRET提供了关于脂质荧光团在膜中的空间分布的信息，并且利用适当的模型可以用于确定相域的大小。从二元硬盘流体的径向分布函数出发，建立了一个与畴尺寸有关的受激受主辐射模型。我们比较了两个类似的，最近发表的模型的模型的结果。
2011-05-31 cond-mat.soft
