The Structure of Cholesterol in Lipid Rafts
筏或功能结构域是质膜中的瞬时纳米或介观结构，并且被认为是许多细胞过程如信号转导、粘附、运输和脂质/蛋白质分选所必需的。对这些膜异质性的观察已被证明是具有挑战性的，因为它们被认为是小而短暂的。粗粒度的分子动力学模拟和中子衍射相结合，使用氘标记的胆固醇分子，我们观察到筏状结构，并确定在二元含胆固醇的脂质膜的胆固醇分子的顺序。从粗粒度的计算机模拟，异质膜结构被观察到，其特征在于小，有序域。用中子衍射研究胆固醇分子的横向结构。我们发现对强结合的胆固醇分子在液体无序相，按照伞模型。观察到对应于筏状结构中胆固醇分子有序化的布拉格峰，并通过两种不同的结构进行索引：与胆固醇斑块平衡的交替方向的有序胆固醇对的单斜结构，即，三斜胆固醇双层。
2014-12-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Chain ordering of phospholipids in membranes containing cholesterol: What matters?
胆固醇（CHOL）驱动脂质分离，因此是形成脂筏的关键因素，随后是细胞的能力，例如，使蛋白质选择性聚集。脂质分离是由胆固醇对饱和脂质的亲和力驱动的，这与胆固醇对单个磷脂（PL）酰基链进行排序的能力直接相关。在这项工作中，分子动力学模拟的DPPC（二棕榈酰磷脂酰胆碱，饱和脂质）和DLiPC（二棕榈酰磷脂酰胆碱，不饱和脂质）与胆固醇的混合物被用来阐明胆固醇有序效应的潜在机制。为此目的，所有的光致发光的贡献，经历了PL分子，记录为PL的酰基链顺序的函数。这涉及PL-PL、PL-胆固醇相互作用、PL与水的相互作用以及小叶间相互作用。这种系统的分析允许一个解开饱和和不饱和脂质的差异，在不同的相互作用因素。事实证明，胆固醇对链有序的影响不仅源于与PL的直接相互作用，而且还间接存在于其他能量贡献中。此外，分析揭示了熵的贡献，有关的酰基链的自由度的相关性。
2021-03-25 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Spatially Resolving the Condensing Effect of Cholesterol in Lipid Bilayers
研究了胆固醇对二棕榈酰磷脂酰胆碱（DPPC）磷脂双层结构的影响。使用原子分辨率的广泛的分子动力学计算机模拟，我们观察和量化胆固醇含量增加后的几个结构变化，统称为冷凝效应：双层增厚，增加脂质尾序，并减少横向面积。我们还观察到瓣叶交错排列的变化以及DPPC头群方向分布的缺乏。这些结果，获得了广泛的胆固醇摩尔分数，然后被用来校准分析的磷脂性质的双层含有一个单一的胆固醇分子，每个小叶，我们在空间分辨的方式进行。我们发现，一个单一的胆固醇分子影响磷脂在其第一和第二溶剂化壳，这使得这种相互作用的范围是在一到两个纳米的顺序。我们还观察到磷脂倾向于将其极性头部基团朝向胆固醇，这为双层组织的伞形模型提供了额外的支持。
2018-06-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Molecular Dynamics simulations and Kelvin Probe Force microscopy to study of cholesterol-induced electrostatic nanodomains in complex lipid mixtures
生物膜和单层内的脂质和蛋白质的分子排列产生复杂的膜形态以及不同的电表面电位、形貌和静电纳米级域的区域。在软物质中探测这些纳米畴是一个具有挑战性的任务，无论是在实验上还是在理论上。本文研究了胆固醇、脂质成分、脂质电荷和脂质相对单层结构和表面电位分布的影响。原子力显微镜（AFM）用于解析拓扑纳米结构，开尔文探针力显微镜（KPFM）用于解析脂质单层中这些纳米结构的表面电势。研究了由二棕榈酰磷脂酰胆碱（DPPC）、1，2-二油酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱（DOPC）、1-棕榈酰-2-油酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱（POPC）、1，2-二油酰-sn-甘油-3-[磷酸-rac-（3-赖氨酰（1-甘油））]（DOPG）、鞘磷脂和胆固醇组成的模型单层。结果表明，胆固醇改变纳米结构域的形成，影响地形和电表面电位。用原子分子动力学（MD）研究了表面电位差异的分子基础。MD模拟定性匹配的实验结果，与100 mV的液体无序双层（Ld，更少的胆固醇和较低的链序）和液体有序双层（Lo，更多的胆固醇和更高的链序）之间的静电势差。重要的是，Lo和Ld相之间的静电性质的差异表明了一种新的机制，通过这种机制，膜组成与膜功能相结合。
2016-11-24 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-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
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
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
Planar Optical Nanoantennas Resolve Cholesterol-Dependent Nanoscale Heterogeneities in the Plasma Membrane of Living Cells
光学纳米天线可以有效地将光限制在纳米级热点，从而在生物相关条件下实现单分子检测灵敏度。这种突破衍射极限的创新方法提供了一个多功能平台，用于研究活细胞膜中单个生物分子的动力学及其分配到胆固醇依赖性脂质纳米结构域中。在这里，我们提出了光学纳米天线阵列与可访问的表面热点研究的特征扩散动力学的磷酸乙醇胺（PE）和鞘磷脂（SM）在纳米级的活细胞质膜。对不同间隙尺寸的纳米天线进行的荧光猝发分析和荧光相关光谱表明，与PE不同，SM被瞬时捕获在直径为10 nm的富含胆固醇的纳米结构域中，特征时间约为100 μs。胆固醇的去除导致SM的自由扩散，与纳米畴的分散一致。我们的研究结果是一致的存在高度瞬态和波动的纳米级组件富含胆固醇和鞘脂在活细胞膜，也被称为脂筏。鞘脂分配到脂筏的定量数据是至关重要的，以了解在纳米级的活细胞膜上的瞬时分子复合物的时空异质组织。所提出的技术是完全生物相容的，因此为生物物理学和活细胞研究提供了各种机会，以揭示仍然隐藏在共焦衍射限制测量中的细节。
2017-11-17 physics.bio-ph physics.optics
Comment on "Capturing Phase Behavior of Ternary Lipid Mixtures with a Refined Martini Coarse-Grained Force Field"
我们在这里报告了“用精制马提尼粗粒力场捕获三元脂质混合物的相行为”[Journal of Chemical Theory and Computation 2018，14，11，6050-6062]中引入的模拟模型的陷阱。据报道，这种改进的Martini模型重现实验相图的三元DOPC/DPPC/胆固醇混合物，包括两个液相共存。然而，我们证明，这种共存只出现由于一个不幸的选择的模拟参数，这导致了穷人的节能。具体来说，胆固醇模型的约束从膜中排出能量，导致在截然不同的温度下共存的两个相。使用为所用胆固醇模型推荐的模拟参数，消除了这种假象，但相共存也是如此，即实验相图不再重现。重要的是要强调的是，目前的评论提交给化学理论和计算。然而，该杂志主编未经同行审查即予以拒绝，他说该杂志“很少发表此类材料”。
2020-09-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
A lattice model of ternary mixtures of lipids and cholesterol with tunable domain sizes
我们对生物膜中筏结构域的物理性质的理解，以及对其形成机制的一些见解，都源于对简单模型系统的原子模拟，特别是由饱和和不饱和脂质以及胆固醇（Chol）组成的三元混合物。为了探索这种系统在大空间尺度上的性质，我们在这里提出了一个简单的三元混合晶格模型，涉及到少量的最近邻相互作用项。具有不同组成的混合物的蒙特卡罗模拟显示出良好的协议与实验和原子模拟观测跨多个尺度，从局部分布的脂质的相图的系统。该模型的简单性使我们能够识别组件之间的不同交互所扮演的角色，以及它们之间的相互作用。重要的是，通过改变模型参数之一的值，我们可以调整的液体有序域的大小，从而模拟表现出宏观相分离和I型混合物与纳米级域的II型混合物。II型混合物模拟结果与实验确定的含有饱和DPPC/不饱和DOPC/Chol的混合物的相图拟合良好。当可调参数改变时，我们得到DPPC/DOPC/Chol的I型版本，即，不显示热力学相变的混合物，但如果使用局部测量来区分不同状态，则可以拟合到相同的相图。我们的模型结果表明，短程包装可能是一个关键的调节器的稳定性和大小分布的生物筏。
2023-03-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech 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
A mechanistic perspective on the effect of cholesterol in phospholipid bilayers
胆固醇（CHOL）是高等生物细胞质膜的重要组成部分，也是形成纳米结构域的主要因素之一。在这项工作中，分子动力学模拟的混合物的CHOL与DPPC（饱和脂质）和DLiPC（不饱和脂质）作为标准磷脂（PLs）在广泛的CHOL浓度。的关键思想是系统地提取所有的结构和相关的晶格模型，这些系统的制定，并表示它们的酰基链序参量的依赖性的晶体性质。详细的解释是简化的观察，一个很好的近似，相互作用的影响不依赖于总CHOL浓度，但只对当地的CHOL安排。由此产生的信息可用于激发CHOL分子的团聚，熵的相关性，而不是熵效应，以了解更强的影响，CHOL DPPC相比，DLiPC，或筏形成的热力学背景。它被证实，相互作用函数几乎没有改变，从二元到三元混合物的过渡过程中，这表明更复杂的混合物的概念的适用性。
2022-08-10 cond-mat.soft physics.bio-ph
Phase Separation of Saturated and Mono-unsaturated Lipids as determined from a Microscopic Model
提出了一个由完全饱和的DPPC和单不饱和的DOPC组成的双层膜的分子模型。该模型不仅包括恒定的密度内的疏水性的双层核心，但也倾向于链段对齐。它是在自洽的场论中解决的。DPPC的模型双层经历主链向凝胶相的转变，而DOPC的双层在零摄氏度以上不这样做，因为双键破坏了秩序。我们研究这些膜的结构和热力学性质，并发现我们的结果与实验符合合理。特别是，顺序参数配置文件与NMR实验符合得很好。在零张力下，获得这些脂质在膜中的混合物的相图。该系统在饱和脂质的主链转变温度以下进行相分离。扩展的三元DPPC，DOPC，和胆固醇系统的概述。
2005-08-01 physics.bio-ph
Effect of Cholesterol vs. Ergosterol on DPPC Bilayer Properties: Insights from Atomistic Simulations
硬脂酸酯在生物膜的组织中，特别是在复杂脂质混合物中形成液体有序结构域中起着重要作用。在这里，我们采用分子动力学模拟比较胆固醇和麦角甾醇的哺乳动物和真菌细胞的主要甾醇，分别与1，2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱（DPPC）作为饱和脂质的代理二元混合物的影响。与以前的工作一致，我们观察到，甾醇分子的加入修改了DPPC在凝胶相和液相中的顺序。当分别解开总倾斜角和由尾部中扭转角的反/偏配置所施加的尾部结构时，可以制定甾醇的影响的更详细的图片，揭示例如，从液相到凝胶相的近似温度-浓度叠加。此外，一个新的定量措施，以确定集体甾醇效应的存在进行了讨论。此外，当比较两种类型的固醇时，胆固醇的添加对磷脂性质的影响明显强于麦角固醇。观察到的差异可归因于胆固醇环系统的更高平面性。这种平面性与其分子相互作用中固有的不对称性相结合，导致更好的对齐，因此与饱和酰基链的相互作用更强。我们的研究结果表明，真菌质膜中麦角固醇的高阶必须通过其他机制产生。
2021-07-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Minimal Lattice Model of Lipid Membranes with Liquid-Ordered Domains
脂质和胆固醇的混合物通常用作研究异质生物膜中液体有序（$L_o$）结构域形成的模型系统。表现出$L_o$结构域和液体无序（$L_d$）基质之间共存的最简单的模型系统是饱和脂质如DPPC和胆固醇（Chol）的二元混合物。DPPC/Chol混合物已经研究了几十年，无论是实验上，理论上，最近还通过原子模拟。在这里，我们提出了一个最小的晶格模型，它可以在多个尺度上捕捉这种混合物的正确行为。在宏观尺度上，我们提出了成千上万的脂质和胆固醇分子的混合物的模拟结果显示出良好的协议与系统的相图。模拟进行了数百微秒的时间尺度上，并显示的域的形态和动力学。在分子尺度上，模拟揭示了与最近在原子模拟中看到的那些类似的局部结构，包括在较大的富含Chol的$L_o$结构域（$\sim$ 10-100 nm）内形成凝胶状纳米结构域（$\sim$ 1-10 nm）。所观察到的多尺度行为与Chol一方面诱导酰基链有序化的趋势有关，另一方面破坏它们彼此之间的包装。
2021-10-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
Bending rigidities and interdomain forces in membranes with coexisting lipid domains
为了精确地定量与共存的液体有序（Lo）和液体无序（Ld）域的异质脂质膜之间的基本相互作用，我们进行了详细的渗透应力SAXS实验，通过利用在筏模仿脂质多层膜的域对齐。执行蒙特卡罗（MC）为基础的分析，使我们能够确定与高可靠性的幅度和功能的依赖域间的力，同时弯曲弹性模量。与以前的方法相比，这种方法使我们能够在基本水平上考虑熵波动排斥，而不必求助于粗略合理的平均场等可加性假设。我们详细的Hamaker系数计算表明，在范德华吸引力共存的Lo和Ld阶段只有很小的差异。与此相反，排斥水化和波动的相互作用显着不同，后者占主导地位的整体排斥在Ld阶段。因此，在多层膜中，类似结构域的排列似乎起源于水合作用和波动排斥。
2015-04-15 cond-mat.soft physics.bio-ph
Topological Bounds of Bending Energy for Lipid Vesicles
Helfrich弯曲能在理论生物物理学中为脂质囊泡的构象提供机制方面起着重要作用，该机制由能量最小化原理支配，该原理在适当的拓扑特征的配置上。我们将表明，一个量的存在称为自发曲率阻碍了一个极小的Helfrich能量的嵌入环环面的集合上的存在。此外，尽管人们已经很好地认识到脂质囊泡可以呈现出各种形状的复杂拓扑结构，但缺乏Helfrich能量的拓扑边界。为了克服这些困难，我们考虑了一个一般的尺度不变的各向异性曲率能量，扩展了Canham弹性弯曲能量建模的双凹形红细胞。我们将表明，到一个重新缩放的生成半径，有一个独特的极小的能量在一组嵌入环环面，在整个参数制度，恢复Willmore极小在其Canham各向同性限制。我们还展示了如何提高各向异性有利于大力明确的过渡，从球形，椭圆形，然后到双凹形的表面，脂质囊泡。然后，我们建立了一些属依赖的拓扑各向异性能量的上下界。最后，我们导出了广义弯曲能的形状方程，它推广了著名的Helfrich形状方程。
2018-06-02 cond-mat.soft math-ph math.MP
On The Equivalence of Local and Global Area-constraint Formulations for Lipid Bilayer Vesicles
脂质双层膜通常被建模为抵抗弯曲的面积保持流体表面。在有关实际面积限制的文献中，似乎有两个思想流派。在一些作品中，囊泡的总面积或全局面积（GA）是一个规定的常数，而在其他作品中，局部面积比被分配给单位。在这项工作中，我们证明了这些表面上不同的方法在特定的情况下，当平衡配置是一个光滑的，封闭的表面属零的等价性。我们完成这一点的上下文中的欧拉-拉格朗日平衡方程，约束方程和二次变分与容许条件，为广泛的一类模型-包括相场类型。
2014-10-10 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
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
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
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
Global SAXS data analysis for multilamellar vesicles: Evolution of the scattering density profile (SDP) model
我们采用了非常成功的散射密度分布（SDP）模型，这是用来共同分析小角度X射线和中子散射数据从单层囊泡，用于与数据从完全水合，液晶多层囊泡（MLV）。通过使用遗传算法，这种新方法能够提供高分辨率的结构信息，以及确定双层弹性弯曲波动从独立的X射线数据。重要的结构参数，如双层厚度和面积每脂质测定了一系列的饱和和不饱和脂质，以及二元混合物与胆固醇。结果是在良好的协议与以前报道的SDP数据，其中使用中子和X射线数据。添加氘代和非氘代MLV中子数据的分析改善了脂质骨架的信息，但没有改善，在实验的不确定性，双层厚度和面积每脂质的结构信息。
2013-09-20 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Tension moderation and fluctuation spectrum in simulated lipid membranes under an applied electric potential
我们研究了拉伸条件下施加电势对粗粒POPC双层膜力学性质的影响。我们模拟的规模和持续时间允许对波动进行详细和准确的研究。详细研究了涨落谱、张力、抗弯刚度和双层膜厚度对膜结构的影响。特别地，最小二乘拟合技术被用于计算起伏谱。模拟证实了最近提出的理论，即膜上施加的电势的效果将由膜的弹性特性来调节。与理论一致，我们发现初始张力越大，电势的影响越大。电势的应用增加了光谱的长波长部分的振幅，并且从短波长波动推导出弯曲刚度。施加的电势对弯曲刚度的影响在误差条内不存在。然而，当膜被拉伸时，存在由于膜的厚度减小而使弯曲刚度降低的点。所有这些影响应该证明是重要的机械敏感通道和生物膜力学一般。
2013-11-08 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
The Influence of Ceramide Tail Length on the Structure of Bilayers Composed of Stratum Corneum Lipids
通过分子动力学模拟研究了由非α羟基鞘氨醇神经酰胺（CER NS）、胆固醇（CHOL）和游离脂肪酸（FFA）组成的脂质双层，这些脂质双层是人体皮肤屏障的组成部分。由于这些脂质的混合物存在于致密的凝胶相中，在生理条件下几乎没有分子流动性，因此必须小心以确保模拟与初始条件去相关。因此，我们提出并验证了一个平衡协议的基础上模拟回火，其中模拟需要通过温度空间的随机行走，使系统打破亚稳态配置，从而成为去相关的形式，其初始配置。在验证平衡方案后，研究了脂质组成和神经酰胺尾长对双层性质的影响。模拟含有纯CER NS、CER NS + CHOL和CER NS + CHOL + FFA的系统，其中CER脂肪酸尾长在每种CER NS-CHOL-FFA组合物内变化。双层的厚度被发现取决于双层的中心，这是由于研究的脂质之间的尾长不对称的结构。脂质头基之间的氢键和水被发现与整体脂质组合物的变化，但大多是独立的CER脂肪酸尾长。脂质尾部的侧向堆积也存在细微差异，这是CER尾部长度的函数。总的来说，这些结果提供了对皮肤系统中实验观察到的屏障特性改变趋势的深入了解，其中存在更多具有较短尾部的神经酰胺。
2017-09-26 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Morphodynamics of lipid vesicles under osmotic forcing
University of California San Diego（加州大学圣迭戈分校）
该研究通过连续介质模拟揭示渗透压驱动脂质囊泡经历屈曲、平滑和折叠三阶段演化，并预测了屈曲与折叠时间标度，阐明了膜塌缩与内陷的物理机制。
2026-10-01 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Transport Phenomena in Fluid Films with Curvature Elasticity
细胞膜是含有多种蛋白质的弹性脂质双层，包括离子通道、受体和支架蛋白。已知这些蛋白质在膜平面中扩散并影响膜的弯曲。实验表明，膜平面中的脂质流动与蛋白质的扩散密切相关。因此，需要有一个综合框架，说明这些进程之间的相互作用。在这里，我们提出了一个理论的耦合平面内的粘性流动的脂质，跨膜蛋白质的扩散，和弹性形变的脂质双层。对膜中的蛋白质进行建模，使得它们通过诱导自发弯曲来影响膜弯曲。我们制定的自由能的膜与Helfrich的曲率弹性能量密度函数修改，以占蛋白质的化学势能。我们推导出该系统的守恒定律和运动方程。最后，我们提出的结果，从量纲分析和数值模拟，并证明了耦合运输过程中的膜弯曲和蛋白质扩散的动力学的影响。
2020-06-23 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Phase-separation transitions in asymmetric lipid bilayers
使用由脂质混合物制成的微米级脂质双层囊泡，研究了与脂质组合物的不对称性相关的相分离的形态学转变。完整的宏观相分离形态经历了一个过渡到微观相分离的形态通过一个lorate形态作为一个亚稳态。该转变导致通过重复的畴断裂事件出现单分散纳米尺寸的畴。此外，我们还利用描述相分离的含时Ginzburg-Landau模型和弯曲弹性膜对相变进行了数值验证，通过固定一个自由参数，这与实验结果定量一致.我们的研究结果表明，由于不对称的组合物的局部自发曲率起着至关重要的作用，在热力学稳定的微相分离的脂质双层。
2015-04-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Cell membrane disruption by vertical nanopillars: the role of membrane bending and traction forces
获得进入细胞内部的通道对于许多应用是基本的，例如电记录、药物和生物分子递送。一种非常有前途的技术包括在纳米/微柱上培养细胞。与纳米结构接触的细胞的紧密粘附和高度局部变形可以促进脂质在质膜处的透化，从而提供进入内部隔室的途径。然而，关于何时以及如何靶向细胞内环境以及几何形状和与表面相互作用的作用，仍然存在很多实验争议。因此，我们研究，粗粒度的分子动力学模拟的细胞膜，高应变和弯曲条件下的脂双层的机械性能。我们发现，脂质双层的高曲率显著降低了实现膜破裂所需的牵引力。之后，我们实验研究了具有可比的纵横比，但在边缘不同的锐度值的柱的细胞膜的透化速率。实验数据支持模拟结果：即使是直径在微米范围内的柱，当它们的边缘足够尖锐时，也可能导致局部膜破裂。因此，透化可能性与柱的局部几何特征有关，而不是与直径或纵横比有关。本研究也可以为组织工程和细胞生长的三维生物界面的设计提供显着的贡献。
2018-04-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Curvature-induced migration of small domains on lipid membranes
Department of Physics and Astronomy, University College London（伦敦大学学院物理与天文系）
该研究通过小结构域能量模型，揭示膜曲率偏好由两个无量纲参数决定，并发现结构域大小通过线张力影响其在复杂膜上的定位，提出小结构域聚集后随生长迁移的机制。
2026-10-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
Combining (Non-) Linear Optical and Fluorescence Analysis of DiD to Enhance Lipid Phase Recognition
对脂质膜的相识别的广泛兴趣已经导致使用不同的光学技术来区分健康的和功能不全的细胞。在这项工作中，我们展示了如何组合不同的（非）线性光学方法，如单光子吸收（OPA），双光子吸收（TPA）和二次谐波产生（SHG）以及荧光衰减时间的研究导致使用荧光双十八烷基四甲基吲哚碳菁（DiD）探针的膜相的增强筛选。在目前的研究中，我们认为纯液体无序相的DOPC（室温）和DPPC（323 K），固体凝胶相的DPPC（298 K），和液体有序相的2：1的二元混合物的鞘磷脂和胆固醇。通过广泛的混合量子力学分子力学计算和基于嵌入探针的（非）线性吸收，发现DiD可用于识别脂质双层相。联合TPA和SHG以及荧光分析合格的DiD作为多功能的相识别探针。特别是，通过超瑞利散射和通过电场感应二次谐波产生获得的SHG数据揭示了不同环境中探针极化的差异。TPA结果最终证实了探针在液体有序相中的2：1 SM：Chol混合物的极性头部基团区域之间的特定位置。
2019-10-22 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-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
Bottom-Up Approach to Explore Alpha-Amylase Assisted Membrane Remodelling
本研究发现α-淀粉酶可与脂质膜相互作用改变其力学性质，通过囊泡涨落光谱法测量表明，低浓度酶使膜弯曲刚度增加并引发自发曲率，高浓度则导致囊泡形态坍塌。
2023-08-01 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
Calculating the bending moduli of the Canham--Helfrich free-energy density from a particular potential
脂质双层的Canham-Helfrich自由能量密度涉及双层中表面的平均曲率和高斯曲率。张开和鞍形张开模量$κ$和$\barκ$调节自由能量密度对这些曲率变化的灵敏度。Seguin和Fried通过考虑组成双层的分子之间的相互作用推导出了Canham-Helfrich能量，从而产生了相互作用势中模量的积分表示。在目前的工作中，两个潜在的选择和积分进行评估，以产生表达式的模量，这被发现取决于与每个潜在的参数。这些结果进行了比较，在目前的文献中发现的模量值。
2014-06-21 cond-mat.soft physics.bio-ph
Coarse-Grained Molecular Dynamics Modeling of Defective Erythrocyte Membrane and Sickle Hemoglobin Fibers
在这项工作中，我们开发了一个两个组件的粗粒度分子动力学（CGMD）模型模拟红细胞膜。该模型的主要特点是将脂双层和红细胞骨架结合起来，既反映了脂双层的流体特性，又反映了红细胞骨架的弹性特性。所提出的模型有利于跨越大的长度尺度（微米）和时间尺度（毫秒）的模拟。通过调节相互作用势参数，可以控制膜模型的扩散系数和弯曲刚度。在对剪切下的膜的研究中，我们发现在低剪切应变速率下，所产生的剪切应力主要是由于血影蛋白网络，而在较高的应变速率下，脂质双层的粘度有助于所产生的剪切应力。此外，血影蛋白网络连接的减少对膜的剪切模量的影响进行了研究。
2017-06-28 physics.bio-ph physics.med-ph
Finite Membrane Thickness Influences Hydrodynamics on the Nanoscale
本文提出考虑有限膜厚度的连续介质模型，揭示膜厚度介导的剪切流、压力反转和拉伸驻点等效应会减缓纳米尺度膜涨落弛豫并产生新的体相耗散模式，表明膜厚度是纳米尺度流体动力学的关键因素。
2025-08-28 cond-mat.soft physics.bio-ph
Particle-based membrane model for mesoscopic simulation of cellular dynamics
我们提出了一个简单的和计算效率高的粗粒度和无溶剂的模型来模拟脂质双层膜。为了与基于粒子的反应扩散模拟配合使用，该模型纯粹基于相互作用和反应粒子，每个粒子代表脂质单层的粗糙补丁。粒子的相互作用包括最近邻键拉伸和角度弯曲，并被参数化，以便再现由Helfrich能量密度在相关曲率范围内给出的局部膜力学。面内流动性的实现与蒙特卡洛键翻转移动。该模型的物理准确性通过五个测试进行验证：（i）平衡热波动的功率谱分析用于验证基于粒子的表示正确捕获流体膜的连续模型预测的动态。(ii)它被验证，输入弯曲刚度，对潜在的参数进行优化，准确地恢复。(iii)等温面积的膜的压缩模量的计算和示出是可调的，以重现不同的脂质双层的可用值，独立的弯曲刚度。(iv)模拟重力作用下的二维剪切流动，测量膜模型的有效面内粘度，并显示具有指定粘度的膜建模的可能性。(v)双层膜与球形纳米颗粒的相互作用被建模为大的膜变形和细胞过程，如胞吞作用中涉及的出芽的测试情况下…
2018-01-29 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
Measuring the mechanical properties of asymmetric membranes in computer simulations -- new methods and insights
本研究提出一种测量非对称膜弹性参数的新模拟方法，可获取标准模拟无法得到的自发曲率等参数，揭示了膜密度接近转变密度时的相分离与密度-曲率耦合机制及其细胞过程意义。
2025-05-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
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
