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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Evidence for the propagation of 2D pressure pulses in lipid monolayers near the phase transition
通过简单的机械检测，直接观察到在空气/水界面处的脂质单分子层上的声压脉冲的存在和传播。该脉冲由从空气相添加到单层的少量溶剂激发。通过对脂质界面可压缩性k的精心控制，我们可以证明脉冲以精确反映界面非线性行为的速度传播。这表现为在单层相变制度中的声速的显著最小值，而在高侧压下范围高达1.5 m/s。受生物学中脂质界面普遍存在的启发，我们提出了所展示的声音传播作为沿着神经的通信和蛋白质调制的有效和快速的方式，细胞和生物单元之间由界面的物理状态控制。
2012-11-17 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
Arbitrary Lagrangian--Eulerian finite element method for lipid membranes
McKetta Department of Chemical Engineering, University of Texas, Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校麦凯塔化学工程系）
本文提出了一种任意拉格朗日-欧拉有限元方法，用于模拟曲面和变形脂质膜的运动，通过引入新的网格运动方式和稳定性处理技术，提高了对生物膜动态行为的模拟精度。
2025-08-01 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-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
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
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
Phase diagrams and ordering in charged membranes: Binary mixtures of charged and neutral lipids
我们提出了一个模型描述的相行为的双组分膜组成的二元混合物的带电和中性脂质。我们考虑到结构相变（主过渡）的烃链，并调查之间的相互作用，这种相变和横向相分离。带电脂质的存在显著影响多组分膜的相行为。由于脂质分子体积守恒，带电脂质的主转变温度低于中性脂质。此外，与中性脂质的二元混合物相比，带电脂质的二元混合物中的膜相分离被抑制，与最近的实验一致。我们区分两种类型的带电膜：带电饱和脂质/中性不饱和脂质的混合物和中性饱和脂质/带电不饱和脂质的混合物的第二种情况。相应的相行为的计算和显示是非常不同的。最后，我们讨论了盐的加入对相分离的影响和脂质分子面积的温度依赖性。
2016-05-23 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
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
Voltage-gated lipid ion channels
合成脂质膜可以显示通道样离子传导事件，即使在蛋白质的情况下。我们在这里表明，这些事件是电压门控的二次电压依赖性，如预期的静电理论的电容器。为此，我们记录通道的痕迹和电流直方图在补丁实验脂质膜。我们推导出了一个理论上的电流-电压关系的脂质膜中的孔，描述了实验数据非常好，当假设一个不对称的膜。我们确定了闭合态和开放态之间的平衡常数以及开放概率作为电压的函数。脂质孔的电压依赖性被发现与蛋白质通道的电压依赖性相当。寿命分布的开放和关闭的事件表明，通道开放分布不遵循指数统计，而是幂律行为的开放时间长。
2013-04-30 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
Ion-channel-like behavior in lipid bilayer membranes at the melting transition
众所周知，在凝胶-液体相变温度下，脂质双层膜表现出增加的离子渗透性。我们分析了量子化的电流，其中增加的磁导率本身。打开时间直方图显示“-3/2”幂律，这意味着打开-关闭转换速率随着时间的推移像$k(t) \propto t^{-1}$一样减小。我们提出了一个“孔冻结”模型来解释的意见。我们讨论了如何这种模式也导致$1/f^α$噪声，通常观察到的电流在生物和人工膜。
2010-04-07 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
The Physics of Stratum Corneum Lipid Membranes
角质层（SC）是皮肤的最外层，其在专门的脂质基质中包含刚性角质细胞（角蛋白填充的死细胞）。连续的脂质基质提供了防止不受控制的水分流失和外部病原体入侵的主要屏障。与所有其他生物脂质膜（如细胞内细胞器和质膜）不同，SC脂质基质中的分子显示出小的亲水基团和烷基尾长度以及能够形成氢键的基团的数量和位置的大变化。分子模拟提供了一种途径，系统地探测这些差异中的每一个单独的影响。在这篇文章中，我们提出的结果从原子分子动力学选定的脂质双层和多层探测这些多分散性的影响。我们解决的性质的尾部包装在凝胶状相，头基团之间的氢键网络，预期的弯曲模量的小叶，包括SC脂质，和构象非常长的神经酰胺脂质（EOS）在多层脂质组件。
2016-04-12 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Computation of a Theoretical Membrane Phase Diagram, and the Role of Phase in Lipid Raft-Mediated Protein Organization
脂相异质性在质膜被认为是至关重要的细胞信号的许多方面，但参与膜域，如“脂筏”的物理基础仍然存在争议。在这里，我们考虑一个晶格模型产生的相图，其中包括几个国家提出的相关的细胞膜，包括微乳液-这可能与膜曲率-和伊辛临界行为。使用基于神经网络的机器学习方法，我们计算了这个晶格模型的完整相图。我们在肥大细胞中信号传导起始事件的背景下分析了该相图的选定区域：膜锚定酪氨酸激酶Lyn募集到IgE-FcεRI受体的跨膜簇。我们发现，微乳液和伊辛临界状态下的模型膜系统可以介导大致相等水平的激酶募集（结合能~ -0.6 kBT），而接近三临界点的膜可以介导更强的激酶募集（~ 1.7 kBT）。通过在一个单一的理论框架内比较几个模型的脂质异质性，这项工作指出现有模型之间的可测试的差异。我们还建议作为一个新的可能性的膜结构域的基础上，促进优先分配的信号成分的三临界点。
2018-02-04 physics.bio-ph q-bio.SC
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
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
