Mechanobiology predicts raft formations triggered by ligand-receptor activity across the cell membrane
不同类型的配体结合受体聚集在细胞膜增厚的岛上，即脂筏，是实验观察到的现象。虽然其对细胞反应的影响进行了深入研究，但在配体结合过程中涉及活性受体和周围脂质膜的机械过程和多物理学之间的耦合作用尚未被理解。具体而言，这项工作的重点是G蛋白偶联受体（GPCR），它通过化学信号通路调节特定的细胞过程，涉及细胞内环境中由活性GPCR产生的环腺苷酸（cAMP）及其流出之间的协同平衡，由多药耐药蛋白（MRP）转运蛋白介导。本文发展了一个多物理方法之间的相互作用的基础上的能量，多尺度的几何变化和物质平衡的物种，即活跃的GPCR和MRP，包括扩散和动力学的结合和解除结合。由于所获得的能量取决于运动学和物种密度的变化，质量和线性动量的平衡被耦合并支配细胞膜的时空演化。机械生物学涉及重塑和改变的脂质排序的细胞膜允许预测动力学的转运蛋白和活性受体-在协议与实验观察到的cAMP水平-以及后者如何触发筏形成和簇在这些网站上。在目前关于严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2型（SARS-CoV-2）的科学辩论中，并基于脂筏通常作为病毒进入端口的确定事实，人们认为，解释机械生物学方面强耦合的方法甚至有助于更好地理解膜介导的现象，如COVID-19病毒-细胞相互作用。
2020-05-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
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
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
Coagulation model for ion channels in the lipid membranes
一个二维（2D）模型的开发来描述斑点图案（域）的脂质膜的结果，从凝结的离子通道的增长。假设离子通道在被激活时可以凝结，例如神经递质可以充当脂质基质中的一些离子通道的表面活性物质，或者激活可以导致离子通道的极性增加，这由于布朗扩散运动而引起它们的凝结过程。结果表明，离子通道的电畴半径rD与时间成rD~ time ^0. 4的比例关系，电畴半径在较长时间内的减慢和随后的饱和与实验定性一致。
2018-06-21 physics.bio-ph q-bio.SC
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
Physical aspects of heterogeneities in multi-component lipid membranes
生物膜筏模型的提出改变了传统的基于流体镶嵌模型的生物膜观。在筏模型中，多组分脂双层的动力学不均匀性起着至关重要的作用。本文着重于生物膜和囊泡的侧向相分离，回顾了近十年来相关的研究进展。本文主要介绍了基于物理化学方法的实验工作，以及从软物质物理学角度给出的理论解释。在第一部分中，我们描述了多组分脂双层膜的相行为和构象。在建立了流体膜在周围溶剂存在下的流体力学方程后，我们讨论了畴生长规律和浓度涨落的衰减速率。最后，我们回顾了几种试图将膜筏描述为二维微乳液。
2013-11-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech 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
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
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
Hydrodynamic collective effects of active proteins in biological membranes
已知形成生物膜的脂质双层在亚微米尺度上表现为粘性2D流体;通常它们含有大量活性蛋白质内含物。最近，它已被显示[Proc.Nat.Acad. Sci. USA 112，E3639（2015）]，这类活性蛋白质应诱导非热波动脂质流动，导致生物膜中被动内含物的扩散增强和趋化性样漂移。在这里，这样的效果进行了详细的分析和数值研究。重点讨论了蛋白质在脂筏中的聚集情况。我们表明，被动粒子往往成为吸引主动筏，并积累在他们里面。
2016-08-24 cond-mat.soft nlin.PS physics.bio-ph
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
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
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
Transient Nanoscopic Phase Separation in Biological Lipid Membranes Resolved by Planar Plasmonic Antennas
鞘脂，胆固醇和某些蛋白质的纳米级膜组件，也称为脂筏，在促进广泛的重要细胞功能方面发挥着至关重要的作用。而在活细胞膜脂筏已被假定为具有纳米尺度和高度瞬态，在多组分脂质双层中存在类似类型的动态纳米域已被质疑。在这里，我们进行荧光相关光谱与不同的纳米间隙大小的平面等离子体天线阵列，以评估动态纳米级组织的模拟生物膜。我们的方法利用纳米天线提供的高度增强和受限的激发光以及它们出色的平面性，以微秒时间分辨率研究小至10 nm的膜区域。我们的扩散数据是一致的，在液体有序和液体无序的微观相的多组分脂质双层的瞬态纳米域的共存。这些纳米畴的特征停留时间在30和150 μs之间，尺寸约为10 nm，从扩散数据推断。因此，虽然微尺度相分离发生在模拟膜，纳米级域也共存，这表明这些瞬态组件可能是类似于那些发生在活细胞中，在筏稳定蛋白的情况下，准备是短暂的。重要的是，我们的工作强调了光子纳米天线的高潜力，以询问原生生物膜的纳米级异质性与超时空分辨率。
2017-11-21 physics.bio-ph physics.optics
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
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
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
On measuring the acoustic state changes in lipid membranes using fluorescent probes
超声越来越多地用于调节生物膜的性质，以用于药物递送和神经调节。虽然各种研究已经调查了相互作用的机械方面，如声吸收和膜变形，但尚不清楚这些效应如何影响生物功能，例如，膜的渗透性或酶活性的变化。酶活性的一个关键方面是其溶剂化或水合壳的热波动。还已知热波动与膜渗透性直接相关。在这里，溶剂化壳的变化的脂质膜受到声脉冲进行了研究，使用荧光探针，Laurdan。将Laurdan包埋在水中的多层脂质囊泡中，将其暴露于峰值幅度为1MPa、脉冲持续时间为10μs的宽带压力脉冲。开发了一种仪器，以亚微秒时间分辨率监测染料在两个波长处的发射光谱的变化。实验表明，在发射光谱的变化，因此溶剂化壳层的波动，有关的膜的热力学状态的变化，并与入射声波的压缩和稀疏。结果表明，声场影响脂质膜的状态，因此可以潜在地调节嵌入膜中的通道和蛋白质的动力学。
2018-11-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Anionic nanoparticle-lipid membrane interactions: the protonation of anionic ligands at the membrane surface reduces membrane disruption
单层保护的金纳米颗粒（Au NPs）由于其生物相容性和多功能性，在诊断和治疗方面具有应用前景。在这里，我们展示了NP表面功能化如何驱动与脂质膜相互作用的机制。特别是，我们表明，NP表面上的阴离子羧基的自发质子化可以使NP-膜相互作用更快，破坏性更小。
2019-05-30 physics.bio-ph q-bio.BM
Molecular Self-Organization of Three-Component Lipid Membranes
通过构建一个Landau型能量泛函，我们研究了细胞膜中三组分混合物的分子组织。在强相互作用的限制，我们使用赝自旋变量分子之间的相互作用模型，并使用平均场论将它们转换为非相互作用的变量。其次，我们通过Helmholtz自由能构造了双序参量Landau型能量泛函。通过对朗道自由能的分析，绘制了细胞膜上均相态和不同相分离态的相图。
2020-01-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
The effect of electric fields on lipid membranes
与现有的理论模型相反，实验证据指出，电穿孔（在外部电场下的膜缺陷形成）开始发生在细胞可能常规经历的跨膜电压范围内，奇怪的是，刚好高于神经信号传输中涉及的跨膜电压范围。了解电场-脂质膜相互作用的基本原理似乎具有重要的生物学意义。通过使用DLVO理论来理解电穿孔的理论方面，这在电穿孔的背景下以前还没有被认识到。此外，分散的相互作用（与其量子性质），双层抗衡离子和膜脂质分子在斯特恩层被强调。这些力的符号是这样的，它们压缩膜。平行于薄膜理论。其论点是，外部电场打破了脂质膜两侧分离压力的对称性，导致只有少数脂质分子突出。这在纳米尺度上损害了膜的稳定性，并使其可被离子穿过。基于这些论点提出的估计与电穿孔实验和现有的数值模拟是一致的。
2006-12-30 physics.bio-ph
Anomalous diffusion of proteins in sheared lipid membranes
我们使用粗粒度的分子动力学模拟来研究嵌入跨膜蛋白的剪切脂质膜的扩散特性。在没有蛋白质的膜中，我们发现在所有流动条件下脂质的正常面内扩散。蛋白质包埋膜的行为完全不同：通过施加一个简单的剪切流和滑动的单层膜上的其他，蛋白质簇的运动成为强烈的超扩散在剪切方向。在这种情况下，亚扩散区是主要垂直于流动。我们表明，超扩散是一个结果，加速混沌运动的蛋白质-脂质复合物内的膜空隙，这是由疏水性失配或蛋白质的脂质运输。
2013-08-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
Cracking donuts and sorting lipids: Geometry controls archaeal membrane stability and lipid organization
Institute of Science and Technology Austria（奥地利科学技术研究院）；Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）
研究通过分子动力学模拟探讨古菌膜结构与曲率的关系，发现双层膜能维持所有曲率，而刚性双头脂质单层膜则会改变囊泡形状或破裂，揭示曲率-组成耦合是古菌膜重塑的物理特征。
2026-04-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Models of dynamic extraction of lipid tethers from cell membranes
当与完整的膜受体结合的配体被拉动时，膜和下面的细胞骨架可以在膜从细胞骨架脱层或配体从受体分离之前变形。如果膜从细胞骨架脱层，它可能会被进一步挤压并形成膜系链。我们开发了一个现象学模型，这个过程假设变形服从胡克定律的临界力，在该临界力下，细胞膜局部脱离细胞骨架和膜系链的形式。我们计算系绳形成的概率，并表明，它们只能在一个中间范围内的力加载速率和拉速度被挤出。计算配体脱离时产生的平均系链长度，以及产生最长系链的力加载速率和牵拉速度。
2010-02-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Modelling and Simulations of Multi-component Lipid Membranes and Open Membranes via Diffusive Interface Approaches
本文建立了不同脂质组成的多组分囊泡膜和自由边界膜的相场模型。这些模型被用来模拟弹性弯曲能量和线张力能量与指定的体积和表面积约束下的膜的变形。通过比较我们的数值模拟与最近的实验，它表明，相场模型可以捕捉到丰富的现象与膜的转变，因此它提供了很大的功能，在模拟和建模的多组分膜。
2006-05-11 physics.bio-ph physics.comp-ph
Label-free imaging of cholesterol and lipid distributions in model membranes
近几十年来，脂膜已成为研究细胞膜生物物理学和生物化学的标准模型。生物膜内脂质结构域的询问通常通过外源化学探针用荧光显微镜进行。然而，大多数荧光团具有有限的分配可调性，其中大多数分离在生物学上最不相关的结构域（即，低密度液体区域）。因此，形成膜的大多数非标记脂质的分子水平的图片仍然是难以捉摸的。在这里，我们提出了简单的，无标记的成像域形成的脂质单层，在解开所有域类型的脂质和胆固醇组合物的化学选择性。利用传统的振动对比度在自发拉曼成像，结合化学计量学分析，允许检查含有饱和脂质，不饱和脂质和胆固醇的三元系统。我们确认荧光显微镜观察到的功能，并提供了前所未有的分析胆固醇分布在单膜水平。
2018-03-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
Computer Simulation of Cytoskeleton-Induced Blebbing in Lipid Membranes
水泡是在许多生理过程中形成的气球状膜突起。利用计算机模拟的一个基于粒子的模型耦合到一个弹性网络的自组装脂质双层，我们研究的相行为和动力学的气泡。我们发现，气泡的形式为大值的双分子层和细胞骨架的面积之间的比率。我们还发现，当细胞骨架受到局部消融或均匀压缩时，可以诱导起泡。所获得的结果与实验证据定性一致，该模型开辟了详细研究水泡形成动力学的可能性。
2011-10-25 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Specific interactions of peripheral membrane proteins with lipids: what can molecular simulations show us?
本文综述了利用分子动力学模拟研究外周膜蛋白与脂质特异性相互作用的近期进展，涵盖胞内和胞外蛋白，并讨论了脂质结合位点识别方法、自由能计算及未来方法论改进方向。
2022-02-01 physics.bio-ph
Phase state dependent current fluctuations in pure lipid membranes
已显示在纯脂质膜中的电流波动在跨膜电场（电穿孔）的影响下发生，以及在相变（软穿孔）期间由脂质双层的结构重排引起。我们表明，在脂质相变的离子渗透性表现出相同的定性温度依赖性的宏观热容量的D15 PC/DOPC囊泡悬浮液。微观电流波动表现出不同的特点，为每个单独的相态。虽然流体相中的电流波动显示出具有窄幅度分布的短时间尺度（~ 2 ms）的尖峰状行为，但是脂质相变期间的电流波动出现在具有约20 ms的时间尺度的不同步骤中。1我们提出了一个理论解释的起源的时间尺度和渗透性的基础上的线性关系的脂膜的可渗透性和弛豫时间附近的相变。
2009-02-12 physics.bio-ph
Determination of Elastic Parameters of Lipid Membranes with Molecular Dynamics: A Review of Approaches and Theoretical Aspects
脂质膜在活生物体中是丰富的，在那里它们构成细胞及其细胞器的包围壳。有许多情况下，其中涉及的脂质膜的变形在活细胞：融合和裂变，膜介导的膜内含物之间的相互作用，脂质-蛋白质相互作用，孔的形成等，在所有这些情况下，弹性参数的脂质膜是重要的膜变形的描述，因为这些参数确定的能量障碍和特征时间的膜参与的现象。自分子动力学（MD）发展以来，人们提出了多种用于模拟脂膜弹性参数测定的计算机模拟方法。这些MD方法允许考虑在实验技术中无法实现的细节，并代表了一个独特的科学领域，这是迅速发展。这项工作提供了一个审查这些MD的方法，侧重于理论方面。确定了两个主要的挑战：（i）从弹性理论的连续描述到MD模拟的离散表示的过渡中的模糊性，以及（ii）脂质混合物的固有弹性参数的确定，这是复杂的，由于组合物曲率耦合效应。
2022-11-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
Visualization of membrane loss during the shrinkage of giant vesicles under electropulsation
我们研究了透化电场施加到两种不同类型的巨型单层囊泡，第一种形成的EggPC脂质和第二种形成的DOPC脂质的效果。两种脂质类型的囊泡的实验显示囊泡半径的减小，这被解释为是由于透化过程中的脂质损失。我们表明，在尺寸上的减少可以定性地解释为脂质面积的损失，这是成比例的面积的囊泡透化。直接观察到三种可能的机制负责脂质损失：孔形成，囊泡形成和小管形成。
2010-01-15 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Propagation of a Thermo-mechanical Perturbation on a Lipid Membrane
本文研究了声波在以水为载体的脂单分子膜上的传播。由于脂质膜的体积、面积和可压缩性的变化具有生物相关性，因此观察到的声音传播是至关重要的。然而，它是未知的会发生在脂质双层，这是一个更近似的模型的细胞膜。为了回答这个相关问题，我们建立了一个实验装置来组装长人工脂质膜。我们发现，如果这些膜被加热，以迫使局部熔化，热机械扰动传播了很长的距离。我们的研究结果可能支持孤立波的存在，假设解释传播的等熵信号与动作电位在神经元中。
2017-05-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
The temperature dependence of lipid membrane permeability, its quantized nature, and the influence of anesthetics
我们研究脂质膜对荧光染料和离子的渗透性。我们发现，渗透率达到最大值接近链熔融过渡的膜。接近转变时，面积和可压缩性的波动很高，导致自发脂质孔形成的可能性增加。荧光相关光谱（FCS）揭示了罗丹明染料穿过100 nm囊泡的渗透性。使用FCS，我们发现，囊泡膜的荧光染料的渗透性是在误差范围内的过剩热容成比例。为了估计缺陷尺寸，我们测量了无溶剂平面脂质双层的电导。微观上，我们表明，渗透事件出现量子化的电流事件。此外，我们证明，麻醉剂导致的膜渗透性的变化，可以预测从它们的热容量曲线的影响。根据温度，渗透性可以增强或降低。我们证明，麻醉剂降低通道电导，并最终导致“阻塞”的脂孔在实验中进行或以上的链熔融过渡。我们的数据表明，宏观增加渗透性接近过渡和微观脂质通道的形成是相同的物理过程。
2008-07-30 physics.bio-ph
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
Mixing small proteins with lipids and cholesterol
本文通过蒙特卡洛模拟研究在DPPC/DOPC/胆固醇三元混合物中加入少量小蛋白质后的相行为，发现蛋白质与饱和脂质的亲和力可诱导液态有序大畴形成，并使其尺寸接近生物脂筏。
2024-11-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech 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
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
Origin of $1/f$ noise transition in hydration dynamics on a lipid membrane surface
已知脂质膜表面上的水分子通过连接脂质分子并充当水桥而有助于膜稳定性。虽然膜附近的水分子数量动态波动，水合动力学已被掩盖。在这里，我们调查的居住统计水分子的表面上的脂质膜使用全原子分子动力学模拟。我们发现，脂质膜上的水合动力学表现出$1/f^β$噪声与两个不同的幂律指数，$β_l < 1$和$β_h > 1$。通过构造水化动力学的二分过程，我们发现这个过程可以看作是一个非马尔可夫更新过程。结果表明，膜表面水化动力学中$1/f$噪声跃迁的起源是具有切换事件发生间隔时间截止的幂律分布和发生间隔时间之间的长期相关性的组合。
2014-04-16 cond-mat.stat-mech 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
Untangling direct and domain-mediated interactions between nicotinic acetylcholine receptors in DHA-rich membranes
在神经肌肉接头（NMJ）处，烟碱乙酰胆碱受体（nAChR）自我缔合以引起快速肌肉运动。虽然脂质结构域在体外维持nAChR聚集体，但它们在nAChR聚集中的具体作用目前尚不清楚。在本研究中，我们进行了粗粒度的分子动力学模拟（CG-MD）的1-4 nAChR分子在两个膜环境：一个混合物含有域形成，同酸脂质，和第二个混合物组成的杂酸脂质。自发二聚nAChRs的可能性高达10倍，在域形成膜，然而，效果是不显着的四蛋白系统，这表明脂质结构域是不太重要的nAChR寡聚化时，蛋白质浓度较高。关于脂质偏好，nAChRs一致地分配到由ω-3（$ω$ -3）脂肪酸、二十二碳六烯酸（DHA）占据的液体无序结构域中; DHA边界脂质的富集随着蛋白质浓度的增加而增加，特别是在同酸膜中。这一结果表明，二聚体的形成阻止了饱和链和胆固醇，但不是多不饱和链，边界脂质网站的访问。
2019-07-02 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
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
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
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
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
Nonlinear conductance, rectification and mechanosensitive channel formation of lipid membranes
有越来越多的证据表明，脂质双层显示导电性能。然而，当解释生物膜对电压变化的电响应时，它们通常被认为是惰性绝缘体。然而，在电压钳条件下的脂质双层不仅显示电流轨迹与离散的传导步骤无法区分的蛋白质通道的存在下。在电流-电压（I-V）图中，它们也可以显示向外整流，即，电压门控令人惊讶的是，这甚至在化学对称的脂质双层中也观察到了。在这里，我们调查这种现象，使用一个理论框架，模型电压对脂膜的电致伸缩效应的存在下，自发极化，这可以通过电压偏移在电气测量中识别。它可以由膜的不对称性引起，例如由膜的非零自发曲率引起。这种弯曲可以由经由挠曲电效应的电压引起，或者由跨膜的流体静压差引起。在这里，我们描述的I-V关系形成的贴片移液器位于靠近水表面的尖端处的脂质膜。我们在相对于空气/水面的不同深度进行测量，从而导致跨膜的不同压力梯度。观察到线性和非线性I-V曲线。非线性传导始终采取向外整流电流的形式。我们解释了两种机制的电导特性：一个泄漏电流与恒定的电导没有孔，和第二个过程，这是由于电压门控孔开放与通道样传导步骤的外观相关。在某些情况下，这些非线性I-V关系显示dI/dV为负的电压状态。这也是先前在钠通道存在下观察到的。...
2020-08-07 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
Ion channels in critical membranes: clustering, cooperativity, and memory effects
本文提出状态依赖性脂质亲和力统一解释离子通道的聚集、协同性与滞后现象，并通过临界膜模型揭示脂筏驱动的长程相互作用和电流记忆效应。
2024-01-22 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Experimental observations of dynamic critical phenomena in a lipid membrane
在临界点附近，热致波动的时间尺度以动态普适性类确定的方式发散。实验已经验证了预测的三维动态临界指数在许多系统中，但在二维的情况下，保守的序参量一直缺乏类似的实验。在这里，我们分析了随时间变化的关联函数的准二维脂质双层在水中，以表明其临界动力学同意最近预测的普适类。特别地，有效动态指数$z_{\text{eff}}$从$\sim 2$跨越到$\sim 3$，因为波动的相关长度超过由膜和本体粘度设定的流体动力学长度。
2012-05-09 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.flu-dyn
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
