Bilayer-thickness-mediated interactions between integral membrane proteins
完整膜蛋白和周围脂质双层之间的疏水厚度失配可产生脂质双层厚度变形。实验和理论已经表明，蛋白质诱导的脂质双层厚度变形可以产生能量上有利的双层介导的整合膜蛋白之间的相互作用，以及整合膜蛋白大规模组织成细胞膜中的蛋白质簇。在膜的连续弹性理论中，蛋白质引起的双层厚度变形的能量成本可以通过考虑双层疏水核心的压缩和膨胀、膜张力和双层弯曲来捕获，从而导致描述给定的一组双层-蛋白质边界条件的脂质双层的形状的双调和平衡方程。在这里，我们开发了一个相结合的分析和数值方法与蛋白质诱导的脂质双层变形的平衡弹性方程的解决方案。我们的方法允许精确预测厚度介导的蛋白质相互作用的任意蛋白质对称性在任意蛋白质分离和相对取向。我们提供了精确的解析解圆柱形的完整的膜蛋白质与恒定和变化的疏水厚度，并开发微扰的非圆柱形蛋白质形状的解析解。我们补充这些解析解，并评估其准确性，通过开发有限元和有限差分数值解方案。两者合计，这里提出的工作到位的分析和数值框架，允许计算的双层介导的弹性相互作用的完整的膜蛋白的结构生物学所建议的复杂的蛋白质形状和在小的蛋白质分离最相关的拥挤的膜环境提供的活细胞之间的相互作用。
2016-11-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
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
Concentration-Dependent Membrane Destabilization in DPPC Bilayers: Distinct Insertion Mechanisms and Stress Redistribution by Chloroform and Alkanols
SASTRA University（萨斯特拉大学）
研究通过分子动力学模拟揭示了溶质浓度和分子化学如何影响DPPC双层膜从饱和到不稳定化的转变，发现浓度增加导致面积压缩模量降低和应力再分配，不同溶剂表现出不同的插入机制。
2026-05-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
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
Curvature-driven migration of colloids on lipid bilayers
胶体和蛋白质都可以与脂质双层结合，并在这些二维流体中横向移动。受蛋白质的启发，产生膜曲率，感觉到底层膜的几何形状，并迁移到高曲率的网站，我们探讨的问题：胶体，粘附到脂质双层，也可以感觉和响应膜的几何形状？我们报告的曲率迁移的Janus微粒粘附到巨大的单层囊泡拉长，目前定义良好的曲率场。然而，与蛋白质不同，蛋白质的迁移是为了使膜弯曲能最小化，胶体的迁移机制完全不同。通过确定沿轨迹耗散的能量，介导这些相互作用的能量场被推断为在局部偏曲率中是线性的，如先前报道的在不混溶流体之间的弯曲界面处捕获的胶体。然而，在后一种系统中，能量梯度要大得多，因此粒子的运动是确定性的，而囊泡上的胶体在弱曲率梯度区域的运动具有显著的波动。通过解决的作用，布朗运动，我们表明，所观察到的曲率迁移的双层胶体确实是一个曲率毛细迁移的情况下，膜张力发挥界面张力的作用。此外，由于这种运动是由膜张力和形状介导的，所以它可以通过简单地改变这些参数来调节，或者甚至打开和关闭。虽然在许多贡献中已经考虑了脂质膜上的颗粒-颗粒相互作用，但我们在这里报告了一种令人兴奋的和以前未探索的方式，以积极引导胶体迁移到脂质双层上的所需位置。
2016-02-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Fluctuations in lipid bilayers: Are they understood?
我们回顾了最近的起伏脂质双层的计算机模拟研究。这种波动膜的理论解释是最常见的广义Helfrich型弹性模型的基础上，与本地的“突起”和/或密度波动的额外贡献。这样的模型提供了一个很好的基础，在定量水平上描述流体相的无张力双层的波动。然而，发现这种描述对于凝胶相中的膜和经受高张力的膜是失败的。倾斜的凝胶膜的波动显示出调制的波纹结构，这是在流体和倾斜的凝胶状态之间的预过渡制度中观察到的附近的阶段的签名。这使得对介观长度尺度的定量分析变得复杂。在张力下的流体膜的情况下，大波长的波动模式被发现是显着软比理论预测。在后一种情况下，我们还解决了框架张力和波动张力之间的关系的一般问题，这在最近几年已经讨论了一些有争议的。对具有固定面积的非常简单的模型膜的模拟表明，波动应该由框架张力而不是由内部张力控制。
2013-08-31 cond-mat.soft physics.bio-ph
Bilayer membranes in micro-fluidics: from gel emulsions to soft functional devices
我们概述了自组装软物质设备的概念，基于微流体，它使用表面活性剂双层膜作为其主要的建筑模块，逮捕在几何结构提供的自顶向下光刻。当合适的油包水乳液以高分散相体积分数被迫进入微流体通道时，膜自发形成。即使在通过微流体通道系统泵送时，它们也非常稳定。它们的几何排列是自组装的，由界面能和润湿力驱动。因此出现的有序膜阵列可以装载两亲性功能分子、离子通道，或者利用其独特的物理性质直接使用。对于湿电子电路，水液滴然后用作“焊点”。此外，膜可以用作在相邻液滴中发生的化学过程之间的良好控制的耦合介质。这是众所周知的Belousov-Zhabotinski反应。合适的通道几何形状可用于以受控的方式（重新）排列液滴，从而通过仅使乳液移动通过装置来（重新）排列其内容物。因此，以自组装但良好控制的方式从分子大小的组件中构建复杂的设备似乎是可行的。
2010-08-11 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
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
Characterization of phospholipid-cholesterol bilayers as self-assembled amphiphile block polymers that contain headgroups
本研究利用自洽场理论（SCFT）研究两种二嵌段共聚物建模的磷脂/胆固醇双层膜，揭示了膜结构随胆固醇浓度等因素的变化规律，为理解胆固醇的膜调控作用提供理论框架。
2025-05-20 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
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
Numerical studies of triangulated vesicles with anisotropic membrane inclusions
本文采用偏曲率模型与 Monte-Carlo 方案模拟含各向异性内含物的动态三角化囊泡，揭示取向序和相互作用对球茎、细颈及长管形态的影响。
2024-03-05 cond-mat.soft 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
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
Biomolecule surface patterning may enhance membrane association
在脱水条件下，两亲性晚期胚胎发生丰富（LEA）蛋白自发地从随机构象折叠成α-螺旋结构，并且这种转变通过膜的存在而促进。为了深入了解膜缔合的热力学，我们将所得的α-螺旋结构建模为无限刚性圆柱体，其具有平行于其轴的疏水性和亲水性条纹。使用单链平均场（SCMF）理论的统计热力学计算表明，条纹的相对厚度控制与磷脂双层的α-螺旋的相互作用的自由能，双层结构和圆柱体进入双层的平衡渗透深度。这些结果可能表明模拟这种蛋白质与膜的缔合的条带的最佳厚度。
2012-02-10 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
General neck condition for the limit shape of budding vesicles
推导了两相畴囊泡的形状方程和连接条件。我们完善了猜想的一般颈部条件的限制形状的萌芽囊泡提出的Jülicher和Lipowsky [物理。\textbf{70}，2964（1993）; Phys. Rev. \textbf{53}，2670（1996）]，然后我们利用形状方程和连接条件证明了这一猜想不仅对轴对称出芽囊泡成立，而且对非对称出芽囊泡也成立。我们的研究表明，平均曲率在任何一点上的膜段相邻的颈部满足一般的颈部条件的限制形状的出芽囊泡时，膜段的长度尺度是远远大于颈部的特征尺寸，但仍然远远小于特征尺寸的囊泡。
2017-04-04 cond-mat.soft math-ph math.DG
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
A lattice model for the kinetics of rupture of fluid bilayer membranes
我们已经构建了一个模型的动力学膜破裂的张力下，应用相关的物理原理，通过疏水相互作用的脂质双层在一起。膜的特征在于体积可压缩性（用于膨胀）、双层疏水部分的厚度、疏水性和表征脂质的尾部刚性的参数。该模型是一个晶格模型，其中包括应变弛豫，并认为在恒定的面积，恒定的温度，和恒定的颗粒数的孔的成核。通过允许多个占据位点来保持粒子数。以总孔表面积和孔分布作为序参量，建立了平衡“相平衡”与温度和应变的函数关系。随着张力的增加，出现一级破裂线;随着温度的升高，原始孔隙浓度不断增加，直至失稳。该模型解释了饱和和不饱和PC脂质双层和较厚的人工双层的二嵌段共聚物的当前结果。孔径分布的面积膨胀和温度的各种值，并评估孔边缘的分形维数。
2003-02-18 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Dynamics of an asymmetric bilayer lipid membrane in a viscous solvent
双层脂质膜（BLM）是许多生物系统的重要组成部分，在细胞和周围环境之间形成功能屏障。当膜从结构扰动松弛时，松弛的动力学取决于双层结构。我们提出了一个模型的BLM在粘性溶剂中，包括一个明确的描述的“厚”膜，其中单层小叶的厚度的波动耦合到该单层内的脂质密度的变化。我们发现色散关系描述了三种直观形式的双层运动，包括一个模式描述运动的单层间表面没有注意到以前在文献中。两个内在的长度尺度出现，有助于解释的动力学;众所周知的萨夫曼-德尔布鲁克长度和另一个，$\ell_r$，由单层间的摩擦。该框架还允许单层小叶之间的BLM参数的不对称性，这被发现耦合双层运动的动态模式。
2015-06-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Kinetics of symmetry and asymmetry in a phase-separating bilayer membrane
我们模拟了一个相分离的双层，其中的小叶经历了直接耦合有利于当地的成分对称性（“注册”双层相），和间接耦合由于疏水性失配，有利于强的局部不对称性（“反注册”双层相）。对于宽范围的总体瓣叶组成，多个竞争状态是可能的。对于估计的物理参数，猝灭的双层可能首先向比小叶不相关的情况更不对称的亚稳态演变;随后，它必须成核以达到其平衡，更对称的状态。这些相变动力学表现出特征签名，通过这些特征签名可以探测基本的和相反的小叶间相互作用。我们强调如何双层相图与一个单独的轴为每个小叶可以占整体和局部的对称/不对称，并捕捉一系列的观察实验和模拟文献。
2015-11-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Bilayer elasticity at the nanoscale: the need for new terms
连续弹性模型，占膜厚度的变化是特别有用的纳米级的变形，由于存在的膜蛋白与疏水性错配的描述。我们表明，涉及的梯度和每脂质的面积的拉普拉斯算子的条款是显着的，必须保留在膜的有效哈密顿。我们重新分析最近的数值数据，以及短杆菌肽通道的实验数据，根据我们的模型。该分析对于源自每个分子的面积梯度的项产生一致的结果。我们发现相关振幅的数量级，即13-60 mN/m，与水和膜的疏水部分之间的界面张力的25 mN/m贡献非常一致。这个术语的存在解释了以前发表的数值数据中的系统变化。
2012-11-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
Defining the Free-Energy Landscape of Curvature-Inducing Proteins on Membrane Bilayers
已知曲率敏感和曲率重塑蛋白重塑细胞膜，并且这种重塑事件对于关键生物物理过程如微管、胞吐和胞吞是必不可少的。曲率诱导蛋白可以充当曲率传感器以及诱导细胞膜中的曲率以稳定出现的高曲率、非球形结构，如小管、盘和小窝。一个明确的理解之间的相互作用蛋白质的招聘和迁移，膜曲率的演变，膜形态转变正在出现，但仍然不完整。在这里，在一个连续的框架内，并使用蒙特卡罗模拟的机械，我们介绍和比较三种自由能的方法来描绘的自由能景观的曲率诱导蛋白质的双层膜。我们证明了Widom测试粒子/场插入方法在计算与膜上的曲率诱导蛋白质相关的过量化学势中的实用性-特别是，我们使用这种方法来跟踪膜中蛋白质密度升高时的形态转变的发生。我们通过比较Widom方法与热力学积分和Bennett接受比方法的结果来验证这种方法。此外，Widom方法的预测已经过测试，对分析计算的过量化学势在无限稀释。我们的研究结果是有用的，在精确地量化的自由能景观，并在确定相边界与曲率感应，曲率传感，形态转变。这种方法可以扩展到探索热波动和其他外部（控制）变量，如膜多余面积，在塑造曲率介导的双层膜的相互作用的作用的研究。
2015-10-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Budding of domains in mixed bilayer membranes
我们提出了一个模型，占萌芽行为的域在脂质双层，其中每一个双层小叶有其局部曲率和局部脂质组成之间的耦合。两个单分子膜之间的成分不对称导致整体自发曲率。膜自由能包含三个贡献：弯曲能，线张力，和横向相分离的朗道自由能。在一个平均场处理，我们得到了各种相图，其中包含完全出芽，酒窝和平坦的状态。特别是，对于一定范围的膜参数，相图表现出三临界行为以及三相共存区。将整体相图分为三类，并从曲率-成分耦合参数和畴尺寸两个方面进行了分析。
2015-01-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Shape Changes of Self-Assembled Actin Bilayer Composite Membranes
我们报告的自组装薄肌动蛋白壳膜下的巨大囊泡。离子载体介导的镁离子流入诱导肌动蛋白聚合在最初的球形囊泡。屈曲的囊泡和热诱导双层膨胀后形成的水泡被证明。双分子层的闪烁主要是由其耦合到肌动蛋白皮质产生的张力。定量闪烁分析表明，由于波动力，双层和肌动蛋白皮质分离0.4 \mum至0.5 \mum。
1997-12-12 physics.bio-ph q-bio
Curvature effects in charge-regulated lipid bilayers
我们提出了脂双层膜中静电相互作用的理论，其中两个单层小叶都含有受电荷调节的可解离部分。我们专门研究了膜曲率和电荷调节的脂质双层囊泡使用线性Debye-Hückel（DH）和非线性Poisson-Boltzmann（PB）理论之间的耦合。我们发现，电荷调控的其他对称的双层膜可以诱导电荷对称性破缺，非线性挠曲电和自由能的异常曲率依赖。pH值的影响超出了静电重整化膜的机械弹性性能的范例。
2022-02-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Interplay of curvature-induced micro- and nanodomain structures in multicomponent lipid bilayers
我们讨论了不同的机制，曲率诱导域形成多组分脂膜，并提出了一个理论模型，使我们能够研究域之间的相互作用。该模型表示的膜由两个耦合的单层，其中每个携带一个额外的序参量字段描述当地的脂质组成。每个单层的自发曲率耦合到局部组合物，此外，相对单层上的脂质组合物彼此耦合。利用这个模型，我们在平均场近似下计算了双层膜的相行为。所得的相图令人惊讶地复杂，并揭示了各种相和相变，包括修饰的微区相，其中纳米区沿微区边界排列。我们的研究结果表明，外部膜张力可以用来控制多组分脂质双层中的纳米结构域（可能与脂“筏”相关）的横向组织。
2015-11-11 cond-mat.soft physics.bio-ph
Structure and Electrical Properties of DNA Nanotubes Embedded in Lipid Bilayer Membranes
通过脂质双层膜工程化合成纳米孔以进入细胞内部是生物技术中长期存在的挑战。在这里，我们证明了基于瓦的6-螺旋DNA纳米管（DNT）嵌入POPC脂双层的稳定性和动力学使用0.2微秒长的平衡MD模拟轨迹的分析。我们观察到，靠近管腔的脂质分子的头部基团合作地向DNA的亲水性糖-磷酸骨架倾斜，并在膜中突出的DNT补丁周围形成环形结构。此外，我们探讨了离子浓度对脂质-DNT复合物的溶液结构和稳定性的影响。通过对恒电场MD模拟的跨膜离子电流的测量，得到了脂质膜中充水DNT腔的I-V特性。随着盐浓度的增加，多孔DNT管腔的跨膜离子电导的测量值从4.3 nS变化到20.6 nS。在孔的口处具有ssDNA和dsDNA突出端的DNT的模拟显示了门控效应，对于打开和关闭状态的纳米孔，跨膜离子电导率具有显著差异。
2017-10-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Controlling Anomalous Diffusion in Lipid Membranes
细胞膜中的扩散不仅仅是简单的二维布朗运动，而是典型地依赖于观察的时间尺度。这种异常亚扩散的物理起源尚未解决，并且能够定量和可再现地控制膜扩散的模型系统已被认为是关键的实验瓶颈。在这里，我们控制异常扩散使用支持的脂质双层含有聚乙二醇（PEG）头基衍生的脂质。通过控制PEG-脂质摩尔分数形成具有特定排除面积分数的双层。这些双层表现出扩散行为的开关，成为异常的双层连续性被破坏。在这些双层扩散很好地描述了幂律依赖的均方位移与观察时间。描述这种扩散的参数可以通过简单地控制PEG-脂质的摩尔分数来定制，产生双层，其表现出与在生物膜中观察到的特性相似的扩散行为。
2017-10-24 physics.bio-ph
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
Application of a Free Energy Landscape Approach to Study Tension Dependent Bilayer Tubulation Mediated by Curvature Inducing Proteins
我们采用蒙特卡罗模拟结合Widom插入技术计算过量化学势，研究了蛋白质诱导的脂双层膜在连续框架内的扭曲现象。当膜结合蛋白的密度和曲率场强度超过其各自的阈值时，自发形成管状形态，并且这种转变的特征在于过量化学势的急剧下降。我们发现，平面到管状的过渡可以描述的胶束模型和相应的自由能垒增加的曲率场强度，（即蛋白质-膜相互作用），并与膜张力的增加。
2015-10-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Membrane-Protein Interactions in a Generic Coarse-Grained Model for Lipid Bilayers
我们研究膜蛋白质相互作用和膜介导的蛋白质-蛋白质相互作用的蒙特卡罗模拟的一个通用的粗粒度模型的脂双层圆柱形疏水夹杂物。疏水力的强度和蛋白质的疏水厚度系统地变化。分析预测的两个流行的分析理论：Landau-de Gennes理论和弹性理论的结果进行了比较。弹性理论提供了一个很好的描述的波动谱的纯膜，并成功地再现了膜周围的单个蛋白质的变形配置文件。然而，它的预测蛋白质之间的平均力的潜力是不兼容的模拟数据为大的距离。模拟结果表明，脂质介导的相互作用是由五个竞争因素：直接相互作用，脂质诱导的消耗相互作用，脂质桥接，脂质包装，和一个平稳的长程贡献。导致“疏水错配”的相互作用的机制进行了批判性的分析。
2008-09-10 physics.bio-ph
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
Formation of adhesion domains in stressed and confined membranes
连接脂双层与下层表面的粘附键可能经历由它们之间的短程吸引势和平均力的长程波动诱导势之间的相互作用引起的缩合转变。在这里，我们使用计算机模拟的粗粒度的支持脂质双层的分子模型来研究这种转变，在封闭的膜，并在膜进行非零的表面张力。我们的研究结果表明，限制可能会改变显着的凝聚过渡的粘附键，而表面张力的应用程序有一个非常小的影响it.We还调查域的形成在膜负张力下，在自由膜，导致膜热波动的幅度增强。我们的研究结果表明，在支撑膜，这种负表面张力的波动谱的影响在很大程度上消除了由混合熵的粘合键的压力。
2015-03-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Mesoscale computational studies of membrane bilayer remodeling by curvature-inducing proteins
生物膜构成细胞和细胞器的边界。原子尺度的物理化学机制取决于蛋白质-脂质相互作用强度、脂质组成、蛋白质附近的脂质分布、蛋白质的形状和氨基酸组成及其氨基酸含量。分子间相互作用的特异性和多种蛋白质的协同性在介观尺度上诱导并稳定了复杂的膜形状。这些形状跨越了从球形质膜到高尔基体复杂池的广泛范围。绘制蛋白质诱导的变形在分子尺度和由此产生的介观形态之间的关系是跨越各种长度尺度的细胞实验的关键。在这篇综述中，我们专注于理论和计算方法来理解的现象背后的蛋白质驱动的膜重塑。这里讨论的一套方法可以定制的应用程序在特定的细胞环境中，如货物运输和迁移细胞中的丝状伪足结构的tuberase过程中的内吞作用，这使得这些方法的实验研究的有力补充。
2015-10-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Controlling the shape of membrane protein polyhedra
膜蛋白和脂质可以自组装成膜蛋白多面体纳米颗粒（MPPN）。MPPN具有封闭的球形表面和多面体的蛋白质排列，可能为膜蛋白的结构测定和靶向药物递送提供新的途径。我们在这里开发了一个通用的分析模型，如何MPPN自组装依赖于双层蛋白质相互作用和脂质双层的机械性能。我们发现，双层蛋白质的疏水厚度不匹配是一个关键的分子控制参数的MPPN形状，可用于偏置MPPN自组装高度对称和均匀的MPPN形状。我们的研究结果提出了优化MPPN形状的策略，用于膜蛋白和靶向药物递送的结构研究。
2017-04-20 physics.bio-ph
Numerical analysis of viscoelasticity of two-dimensional fluid membranes under oscillatory loadings
本研究基于二维流体膜模型，通过数值模拟分析微米尺度膜在小振幅振荡载荷下的粘弹性，发现频率增加导致膜从弹性主导转为粘性主导，转变频率约为10^1-10^2 Hz且与表面张力无关。
2024-03-30 cond-mat.soft physics.bio-ph
A generic model for lipid monolayers, bilayers, and membranes
我们描述了一个简单的粗粒度模型，适合于研究脂质层及其相变。脂质由具有亲溶剂性头部和疏溶剂性尾部组件的短半柔性珠链建模。他们被迫自组装成双分子层的计算便宜的“幻影溶剂”的环境。该模型再现了单层和双层最重要的相和相变。技术问题，如蒙特卡罗并行化方案进行了简要讨论。
2006-08-23 physics.bio-ph physics.comp-ph
Thermodynamic Free Energy Methods to Investigate Shape Transitions In Bilayer Membranes
系统的构象自由能景观是一个重要的基本热力学量，特别是在软物质和生物系统的研究中，其中熵的贡献起着主导作用。虽然计算方法来描绘自由能景观通常用于分析构象状态的相对稳定性，以确定相边界，并计算配体-受体结合能，其在涉及细胞膜的问题中的使用是有限的。在这里，我们提出了一个概述的四种不同的自由能方法来研究双层膜的形态转变，诱导的曲率重塑蛋白的作用或由于应用外力。使用一个三角形的表面作为一个模型的细胞膜，并使用动态三角形蒙特卡罗的框架，我们专注于Widom插入，热力学积分，贝内特接受计划，伞采样和加权直方图分析的方法。我们已经证明了这些方法可以用于涉及细胞膜的各种问题。具体来说，我们已经表明，化学势，计算Widom插入，和相对自由能，计算使用热力学积分和贝内特接受方法，是很好的措施，研究从曲率传感到曲率诱导行为的膜相关蛋白质的过渡。伞采样和WHAM分析已被用来研究系链形成的细胞膜和计算模型的定量预测的热力学与实验测量结果非常吻合。此外，我们还提出了一种基于WHAM和热力学积分的方法来处理大多数自由能方法中常见的端点突变问题
2015-10-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Dependence of protein-induced lipid bilayer deformations on protein shape
膜蛋白通常使周围的脂质双层膜变形，这可以在膜蛋白的功能、调节和组织中发挥重要作用。膜弹性理论提供了一个美丽的描述蛋白质诱导的脂质双层变形，其中所有的物理参数可以直接从实验中确定。蛋白质诱导的脂质双层变形的膜弹性理论的分析处理主要集中在理想化的蛋白质形状与圆形截面，并与非圆形截面的蛋白质的微扰解。在这里，我们开发了一个边界值方法（BVM），允许建设非微扰的蛋白质诱导的脂质双层变形的非圆形蛋白质截面的解析解，为常数以及可变的边界条件沿双层蛋白质界面。我们将此BVM应用于蛋白质诱导的脂质双层厚度变形。我们的BVM再现可用的蛋白质与圆形截面和产量的解析解，蛋白质与非圆形截面，良好的协议与数值，有限元解。在此基础上，我们制定了一个简单的解析近似的双层厚度变形能与一般蛋白质的形状，并表明，适度偏离旋转对称性，这种解析近似是在良好的协议与BVM解决方案。使用BVM，我们调查蛋白质诱导的脂质双层厚度变形对蛋白质形状的依赖性，从而探索蛋白质形状和双层厚度变形的耦合如何影响蛋白质寡聚化和蛋白质构象状态的转变。
2022-08-09 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
A New Mechanism of Model Membrane Fusion Determined from Monte Carlo Simulation
我们进行了广泛的蒙特卡罗模拟的融合紧张并列的双层膜形成的两亲性分子的框架内的粗粒晶格模型。融合途径不同于通常的茎机制。茎并形成之间的并列双层，但不是径向膨胀，形成一个轴对称的半融合隔膜的两个双层的transleaves，他们促进在其附近的双层中的小孔的成核。观察到两个随后的路径：（i）茎围绕一个双层中的孔，产生由另一个完整双层的两个叶组成的隔膜，并且其破裂以完成融合孔。(ii)在柄可以包围一个双层中的孔之前，在另一个双层中形成第二个孔，并且柄对准并包围它们两者以完成融合孔。这两种途径引起双层的顺式和反式叶之间的混合，并允许瞬时泄漏。
2003-05-05 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Comparing ion conductance recordings of synthetic lipid bilayers with cell membranes containing TRP channels
在这篇文章中，我们比较电导事件从单通道记录的三个TRP通道蛋白（TRPA 1，TRPM 2和TRPM 8）在人胚肾细胞中表达的合成脂质膜上记录的通道事件接近熔化过渡。来自TRP家族的离子通道参与各种感觉过程，包括热和机械接收。接近相变的合成脂质膜显示通道样事件，其响应于与诸如压力和温度的密集热力学变量的变化相关的刺激。TRP通道活性的特征在于依赖于表达的蛋白质类型的电流事件的典型模式。合成的脂质双层显示了广泛的电现象，被认为是典型的蛋白质离子通道的活性。我们发现单一的电流，突发行为，闪烁，多步电导，和尖峰行为在这两个准备。此外，我们报告的电导和寿命的脂质通道所描述的蛋白质通道。在这两个系统中看到的非线性和不对称的电流-电压关系。在没有进一步了解记录条件的情况下，很难判断短电流迹线是来自通道蛋白还是来自纯脂质膜
2011-11-14 physics.bio-ph
Water-phospholipid interactions at the interface of lipid membranes: comparison of different force fields
水-磷脂相互作用对生物膜的动力学、稳定性和功能具有重要意义，并与脂双层界面上的许多生物过程密切相关。各种力场，如联合原子Berger力场、Kukol和Poger的两个改进版本，以及最近发展的全原子Slipid力场，都可以用来模拟脂双层的结构，它们的结构预测与实验数据符合得很好。在这项工作中，我们表明，尽管在结构预测的脂双层的相似性，有观察到的差异，形成氢键和水和磷脂基团之间的相互作用能量分布在脂双层/水界面，当四个力场二棕榈酰磷脂酰胆碱（DPPC）磷脂采用分子动力学模拟。特别是，与Berger及其两个改进的力场相比，Slipid力场在水和磷脂之间产生更多的氢键，并且对于它们各自的酰基尾部上的两个羧基，产生更对称的相互作用能量分布。这些差异主要归因于不同的界面水分布和使用不同力场在DPPC脂质的界面水和氧原子之间形成氢键的能力。这些结果将有助于理解水在脂双层/水界面的行为及其与磷脂的相互作用，并为脂双层模拟中力场的合理选择提供指导。
2018-01-03 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Membrane Mechanics of Endocytosis in Cells with Turgor
内吞作用是细胞将细胞外膜和物质内化的一个重要过程。在具有膨压的细胞中，压力对抗膜变形，并且增加必须由内吞机制产生的力的量。为了确定这个力，并计算膜的形状，我们使用物理理论来模拟压力下的弹性表面。假设包被的膜是高度刚性的，并优先弯曲的内吞部位的实验配置文件的准确拟合。肌动蛋白机械所需的力在变形开始时达到峰值，这表明一旦内陷开始，内吞就不太可能在完成之前停止。外壳蛋白不降低起始力，但可能通过它们诱导的曲率影响该过程。在各向同性曲率诱导剂的存在下，拉动内陷的尖端可以触发在内陷的基部处形成颈部。因此，可能不需要肌动蛋白直接收缩颈部，而它的牵拉作用是必不可少的。最后，该理论表明，各向异性曲率效应器稳定膜内陷，因此新月形BAR结构域蛋白（如Rvs167）的丢失可能引发膜断裂。
2015-09-02 physics.bio-ph q-bio.SC
A Teflon-based system for applying multidirectional voltages to lipid bilayers as a novel platform for membrane proteins
人工双层类脂膜（BLM），以及膜片钳膜，经常用于膜蛋白的功能分析。在这两种方法中，膜的电特性仅由一个参数表征，即跨膜电位。本文报道了一种新型的BLM系统的构建，该系统除了传统的跨膜方向外，还可以在横向方向上控制膜电压。在聚四氟乙烯薄膜上制作了一个微孔，并在微孔周围蒸镀了钛电极。在孔中可再现地形成BLM，而不受电极存在的影响。横向电压的应用不会引起BLM的电特性，如基线电流，跨膜电阻和跨膜电容的显着变化。相反，横向电压明显影响生物离子通道的活动，这表明横向电压可能是一个有用的参数，用于分析通道活动。目前的聚四氟乙烯为基础的系统，其中多向电压可以施加到BLM代表一个很有前途的平台，用于分析膜蛋白的基本功能特性。
2019-07-12 physics.app-ph physics.bio-ph
Alpha-tocopherol inhibits pore formation in the oxidized bilayers
在生物膜中，α-生育酚（α-toc;维生素E）保护多不饱和脂质免受自由基的侵害。虽然α-toc与非氧化脂质双层的相互作用已被研究，但它们对氧化双层的作用仍不清楚。在这项研究中，原子分子动力学（MD）模拟氧化脂质双层进行了不同浓度的α-toc。研究了1-棕榈酰-2-月桂酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱（PLPC）脂质及其醛衍生物以1：1比例形成的双层膜。我们的模拟表明，氧化脂质自组装成聚集体与水的孔隙迅速发展的脂质双层。α-toc分子在脂双层中转运的自由能表明α-toc可以被动吸附到脂双层中。当α-toc分子以低浓度存在于含有氧化脂质的双层中时，水孔的形成变慢。在高α-toc浓度下，未观察到孔隙。基于模拟结果，我们提出α-toc抑制氧化脂质双层膜中孔形成的机制是：α-toc在膜-水界面捕获氧化脂质的极性基团，导致氧化脂质与两个小叶接触并引发孔形成的概率降低。这说明α-toc分子不仅能保护双分子膜免受氧化，而且在脂质过氧化后还能起到稳定双分子膜的作用。这些结果将有助于设计更有效的分子来保护膜免受氧化应激。
2016-11-22 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-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
Can graphene bilayers be the membrane mimetic materials?
自膜模拟化学创始人Janos H.众所周知，许多原子或分子团簇和膜（包括纳米级的）能够模拟膜功能。膜模拟材料可以是软物质或固态材料。导电膜（包括具有磁性的那些）和半导体也已知具有膜模拟特性。如果我们考虑以算子形式通过膜的试剂交换，则膜及其模型的化学组成以及原子和分子团簇或层之间的差异变得不那么重要，因此，纳米和介观结构的膜模拟化学在基于试剂的方法中没有显著差异。这篇邀请综述包含几个部分，反映了作者在“石墨烯：分子和2D晶体”会议（2015年9月8日至12日，俄罗斯新西伯利亚）上报告的主要方面，并考虑了石墨烯纳米结构，膜和仿生膜状纳米材料之间相似性的各个方面。
2018-07-23 physics.atm-clus physics.bio-ph physics.chem-ph
Probing the coverage of nanoparticles by biomimetic membranes through nanoplasmonics
尽管无机纳米颗粒（NPs）在生物医学方面很有前途，但其临床转化受到生物相容性和生物液体稳定性低的限制。一个常见的策略，以规避这一缺点包括在伪装的活性无机核心与脂质双层涂层，让人想起细胞膜的结构，重新定义的化学和生物特性的纳米粒子。虽然最近的报告介绍了纳米颗粒的膜涂层程序，但还没有一种可靠且可获得的方法来量化双层覆盖的完整性。为了填补这一空白，我们制备了SiO2纳米粒子（SiO2NPs）与不同的膜覆盖度，并监测其与金纳米粒子的相互作用相结合的显微镜，散射和光学技术。SiO2纳米颗粒上的膜涂层诱导金纳米颗粒的自发聚集，其程度取决于涂层的完整性。值得注意的是，我们发现了膜覆盖率和AuNPs等离子体共振的光谱描述符之间的线性相关性，跨越了广泛的涂层产率。这些结果提供了一种快速且具有成本效益的测定方法来监测纳米颗粒与生物环境的相容性，这对于实验室测试和规模扩大至关重要。此外，我们介绍了一个强大的和可扩展的方法来制备SiO2NPsAuNPs的混合物通过自发自组装，高保真的结构控制介导的脂质双层。
2023-03-17 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Genesis of a Horizontal Electric Field within the Lipid Bilayer: A Bilayer-Embedded Actuation Platform
Laboratory for Nanoelectronics and Spintronics, Research Institute of Electrical Communication (RIEC), Tohoku University（东北大学电气通信研究所纳米电子与自旋电子学实验室）；Graduate School of Biomedical Engineering, Tohoku University（东北大学生物医学工程学院研究生院）；School of Mechatronical Engineering, Beijing Institute of Technology（北京理工大学机电学院）；Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR), Tohoku University（东北大学材料研究高等研究院）；Department of Molecular Neuroscience, Faculty of Medical Sciences, University of Fukui（福井大学医学科学部分子神经科学系）；Life Science Innovation Center, University of Fukui（福井大学生命科学创新中心）
本文提出一种生物电子平台，可控制生成脂双层中性层的水平电场，研究其对电压门控钾通道的影响及在生物膜电场中的应用。
2026-04-08 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
Lipid bilayer fluidity and degree of order regulates small EVs adsorption on model cell membrane
本研究利用三阴性乳腺癌来源sEVs与合成脂质双层模型，通过时间分辨原子力显微镜揭示细胞膜流动性与有序度对sEVs吸附与融合的调控作用，强调膜生物物理特性在摄取中的关键地位。
2023-07-27 physics.bio-ph q-bio.BM
