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Mobility in geometrically confined membranes

机译:几何约束膜的流动性

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摘要

Lipid and protein lateral mobility is essential for biological function. Our theoretical understanding of this mobility can be traced to the seminal work of Saffman and Delbriick, who predicted a logarithmic dependence of the protein diffusion coefficient (i) on the inverse of the size of the protein and (ii) on the "membrane size" for membranes of finite size [Saffman P, Delbrueck M (1975) Proc Natl Acad Sci USA 72:3111-3113]. Although the experimental proof of the first prediction is a matter of debate, the second has not previously been thought to be experimentally accessible. Here, we construct just such a geometrically confined membrane by forming lipid bilayer nanotubes of controlled radii connected to giant liposomes. We followed the diffusion of individual molecules in the tubular membrane using single particle tracking of quantum dots coupled to lipids or voltage-gated potassium channels KvAP, while changing the membrane tube radius from approximately 250 to 10 nm. We found that both lipid and protein diffusion was slower in tubular membranes with smaller radii. The protein diffusion coefficient decreased as much as 5-fold compared to diffusion on the effectively flat membrane of the giant liposomes. Both lipid and protein diffusion data are consistent with the predictions of a hydrodynamic theory that extends the work of Saffman and Delbrueck to cylindrical geometries. This study therefore provides strong experimental support for the ubiquitous Saffman-Delbrueck theory and elucidates the role of membrane geometry and size in regulating lateral diffusion.
机译:脂质和蛋白质的横向迁移对生物学功能至关重要。我们对这种迁移率的理论理解可以追溯到Saffman和Delbriick的开创性工作,他们预测了蛋白质扩散系数(i)对蛋白质大小的倒数和(ii)对“膜大小”的对数依赖。用于有限尺寸的膜[Saffman P,Delbrueck M(1975)Proc Natl Acad Sci USA 72:3111-3113]。尽管第一个预测的实验证据尚有争议,但第二个以前从未被认为可以通过实验获得。在这里,我们通过形成连接到巨型脂质体的受控半径的脂质双层纳米管,来构造这样的几何约束膜。我们使用与脂质或电压门控钾通道KvAP耦合的量子点的单个粒子跟踪,跟踪单个分子在管状膜中的扩散,同时将膜管半径从大约250 nm更改为10 nm。我们发现脂质和蛋白质的扩散在半径较小的管状膜中较慢。与在巨大脂质体的有效平坦膜上扩散相比,蛋白质扩散系数降低了多达5倍。脂质和蛋白质扩散数据均与流体力学理论的预测一致,该理论将Saffman和Delbrueck的工作扩展到圆柱几何体。因此,这项研究为普遍存在的Saffman-Delbrueck理论提供了有力的实验支持,并阐明了膜几何形状和尺寸在调节侧向扩散中的作用。

著录项

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    lnstitut Curie, Centre de Recherche, Centre National de la Recherche Scientifique, Unite Mixte de Recherche 168, Physico-Chimie Curie, Universite Pierre et Marie Curie, 75248 Paris, France2lnstitut de Biologie, Ecole Normale Superieure, Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale U1024,Centre National de la Recherche Scientifique, Unite Mixte de Recherche 8197, 75005 Paris, France;

    lnstitut Curie, Centre de Recherche, Centre National de la Recherche Scientifique, Unite Mixte de Recherche 168, Physico-Chimie Curie, Universite Pierre et Marie Curie, 75248 Paris, France2lnstitut de Biologie, Ecole Normale Superieure, Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale U1024,Centre National de la Recherche Scientifique, Unite Mixte de Recherche 8197, 75005 Paris, France;

    lnstitut Curie, Centre de Recherche, Centre National de la Recherche Scientifique, Unite Mixte de Recherche 168, Physico-Chimie Curie, Universite Pierre et Marie Curie, 75248 Paris, France2lnstitut de Biologie, Ecole Normale Superieure, Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale U1024,Centre National de la Recherche Scientifique, Unite Mixte de Recherche 8197, 75005 Paris, France;

    lnstitut Curie, Centre de Recherche, Centre National de la Recherche Scientifique, Unite Mixte de Recherche 168, Physico-Chimie Curie, Universite Pierre et Marie Curie, 75248 Paris, France2lnstitut de Biologie, Ecole Normale Superieure, Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale U1024,Centre National de la Recherche Scientifique, Unite Mixte de Recherche 8197, 75005 Paris, France;

    Department of Physics, University of Warwick,Coventry CV4 7AL, United Kingdom;

    lnstitut Curie, Centre de Recherche, Centre National de la Recherche Scientifique, Unite Mixte de Recherche 168, Physico-Chimie Curie, Universite Pierre et Marie Curie, 75248 Paris, France2lnstitut de Biologie, Ecole Normale Superieure, Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale U1024,Centre National de la Recherche Scientifique, Unite Mixte de Recherche 8197, 75005 Paris, France;

  • 收录信息 美国《科学引文索引》(SCI);美国《生物学医学文摘》(MEDLINE);美国《化学文摘》(CA);
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