Sự tạo ra hài thứ hai như một phương pháp không xâm lấn để nghiên cứu các quá trình phân tử trên bề mặt của màng lipid (Tổng quan ngắn)

Pleiades Publishing Ltd - Tập 118 - Trang 288-295 - 2023
M. Yu. Eremchev1
1Troitsk Division, Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences, Troitsk, Russia

Tóm tắt

Sự phát triển và triển khai các phương pháp thí nghiệm hiện đại trong các dự án liên ngành thúc đẩy việc giải quyết các vấn đề cơ bản trong sinh học phân tử và y học. Một trong những vấn đề này là hiểu biết về vật lý của các tương tác phân tử trong một lớp bề mặt hẹp (<1 nm) của màng lipid tế bào (lớp ngậm nước của màng), nơi diễn ra hầu hết các tương tác điện hóa quan trọng với các ion và protein, quá trình vận chuyển xuyên màng của các phân tử, và quá trình nội bào. Việc giải quyết vấn đề này đòi hỏi các phương pháp không xâm lấn nhạy cảm với những thay đổi trong cấu trúc phân tử của lớp bề mặt của màng. Mục tiêu của công trình này là mô tả những ưu điểm của kính hiển vi quang phi tuyến và quang phổ cho việc nghiên cứu các đặc tính cấu trúc và điện tĩnh của màng lipid, trình bày phương pháp đã phát triển để hình dung độ ẩm của màng lipid, và thảo luận về các giới hạn của tính khả thi của phương pháp này.

Từ khóa

#màng lipid #kính hiển vi quang phi tuyến #phương pháp không xâm lấn #quá trình phân tử #lớp ngậm nước

Tài liệu tham khảo

Yu. S. Petronyuk, E. A. Khramtsova, V. M. Levin, A. P. Bonartsev, V. V. Voinova, G. A. Bonartseva, A. A. Muraev, T. F. Asfarov, N. A. Guseinov, Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys. 84, 653 (2020). https://doi.org/10.3103/S1062873820060179 V. O. Kompanets, S. I. Kudryashov, E. R. Tolordava, S. N. Shelygina, V. V. Sokolova, I. N. Saraeva, M. S. Kovalev, A. A. Ionin, and S. V. Chekalin, JETP Lett. 113, 365 (2021). https://doi.org/10.1134/S0021364021060060 O. V. Gradov, Yu. V. Zhulanov, and P. Yu. Makaveev, Fotonika 14, 542 (2020). https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.6.542.549 E. Zavyalova, O. Ambartsumyan, G. Zhdanov, D. Gribanyov, V. Gushchin, A. Tkachuk, E. Rudakova, M. Nikiforova, N. Kuznetsova, L. Popova, B. Verdiev, A. Alatyrev, E. Burtseva, A. Ignatieva, A. Iliukhina, et al., Nanomaterials 11, 1394 (2021). https://doi.org/10.3390/nano11061394 K. Lefort, R. P. O’Konor, V. Blanke, L. Man’o, Kh. Kano, V. Tombelein, F. Levek, V. Kuderk, and F. Lepru, Fotonika 14, 88 (2020).https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.1.88.94 Yu. A. Ermakov, V. E. Asadchikov, Yu. O. Volkov, A. D. Nuzhdin, B. S. Roshchin, V. Khonkimaki, and A. M. Tikhonov, JETP Lett. 109, 334 (2019). https://doi.org/10.1134/S0021364019050060 A. A. Melnikova, R. A. Kamyshinsky, A. V. Komova, A. P. Rudenko, and Z. B. Namsaraev, Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys. 85, 831 (2021). https://doi.org/10.3103/S1062873821080177 T. I. Sharipov, R. R. Garafutdinov, and R. Z. Bakhtizin, Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys. 84, 569 (2020). https://doi.org/10.3103/S1062873820050299 D. Yu. Martirosyan, A. A. Osychenko, A. D. Zalesskii, O. T. Kalinina, U. A. Tochilo, Yu. A. Fedotov, M. S. Syrchina, and V. A. Nadtochenko, JETP Lett. 117, 873 (2023). https://doi.org/10.1134/S0021364023600970 V. B. Arakelian, D. Walther, and E. Donath, Colloid Polym. Sci. 271, 268 (1993). https://doi.org/10.1007/BF00652367 S. McLaughlin, Ann. Rev. Biophys. Biophys. Chem. 18, 113 (1989). https://doi.org/10.1146/annurev.bb.18.060189.000553 S. H. White and W. Chang, Biophys. J. 36, 449 (1981). V. K. Miyamoto and T. E. Thompson, J. Colloid Interface Sci. 25, 16 (1967). https://doi.org/10.1016/0021-9797(67)90005-7 T. Baumgart, G. Hunt, E. R. Farkas, W. W. Webb, and G. W. Feigenson, Biochim. Biophys. Acta, Biomembr. 1768, 2182 (2007). https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2007.05.012 A. Melcrova, S. Pokorna, S. Pullanchery, M. Kohagen, P. Jurkiewicz, M. Hof, P. Jungwirth, P. S. Cremer, and L. Cwiklik, Sci. Rep. 6, 38035 (2016). https://doi.org/10.1038/srep38035 Y. Li, R. Lipowsky, and R. Dimova, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 108, 4731 (2011). https://doi.org/10.1073/pnas.1015892108 A. A. Dmitriev and N. V. Surovtsev, J. Phys. Chem. B 119, 15613 (2015). https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.5b07502 N. V. Surovtsev, A. A. Dmitriev, and S. A. Dzuba, Phys. Rev. E 95, 032412 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.95.032412 J.-X. Cheng and X. S. Xie, J. Phys. Chem. B 108, 827 (2004). https://doi.org/10.1021/jp035693v E. O. Potma and X. S. Xie, ChemPhysChem 6, 77 (2005). https://doi.org/10.1002/cphc.200400390 L. J. Johnston, Langmuir 23, 5886 (2007). https://doi.org/10.1021/la070108t G. de Wit, J. S. H. Danial, P. Kukura, and M. I. Wallace, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 112, 12299 (2015). https://doi.org/10.1073/pnas.1508483112 H. I. Petrache, S. Tristram-Nagle, K. Gawrisch, D. Harries, V. A. Parsegian, and J. F. Nagle, Biophys. J. 86, 1574 (2004). https://doi.org/10.1016/S0006-3495(04)74225-3 X. Chen, W. Hua, Z. Huang, and H. C. Allen, J. Am. Chem. Soc. 132, 11336 (2010). https://doi.org/10.1021/ja1048237 M. Sovago, E. Vartiainen, and M. Bonn, J. Chem. Phys. 131, 161107 (2009). https://doi.org/10.1063/1.3257600 Y. Nojima, Y. Suzuki, and S. Yamaguchi, J. Phys. Chem. C 121, 2173 (2017). https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b09229 J. J. G. Casares, L. Camacho, M. T. Martin-Romero, and J. J. L. Cascales, ChemPhysChem 9, 2538 (2008). https://doi.org/10.1002/cphc.200800321 P. Garidel and A. Blume, Langmuir 15, 5526 (91999)). https://doi.org/10.1021/la990217a. H. Binder and O. Zschörnig, Chem. Phys. Lipids 115, 39 (2002). https://doi.org/10.1016/S0009-3084(02)00005-1 U. R. Pedersen, C. Leidy, P. Westh, and G. H. Peters, Biochim. Biophys. Acta, Biomembr. 1758, 573 (2006). https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2006.03.035 M. Mirza, Y. Guo, K. Arnold, C. J. van Oss, and S. Ohki, J. Dispers. Sci. Technol. 19, 951 (1998). https://doi.org/10.1080/01932699808913225 R. D. Porasso and J. J. Lopez Cascales, Colloids Surf., B 73, 42 (2009). https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2009.04.028 M. L. Valentine, A. E. Cardenas, R. Elber, and C. R. Baiz, Biophys. J. 115, 1541 (2018). https://doi.org/10.1016/j.bpj.2018.08.044 Y. Kozlovsky, L. V. Chernomordik, and M. M. Kozlov, Biophys. J. 83, 2634 (2022). https://doi.org/10.1016/S0006-3495(02)75274-0 W.-D. Zhao, E. Hamid, W. Shin, P. J. Wen, E. S. Krystofiak, S. A. Villarreal, H.-C. Chiang, B. Kachar, and L.-G. Wu, Nature (London, U. K.) 534 (7608), 548 (2016). https://doi.org/10.1038/nature18598 F. Bordi, C. Cametti, and A. Motta, J. Phys. Chem. B 104, 5318 (2000). https://doi.org/10.1021/jp000005i E. Deplazes, B. D. Tafalla, C. G. Cranfield, and A. Garcia, J. Phys. Chem. Lett. 11, 6353 (2020). https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c01479 D. S. Peterka, H. Takahashi, and R. Yuste, Neuron 69, 9 (2011). https://doi.org/10.1016/j.neuron.2010.12.010 E. Bourinet, C. Altier, M. E. Hildebrand, T. Trang, M. W. Salter, and G. W. Zamponi, Physiol. Rev. 94, 81 (2014). https://doi.org/10.1152/physrev.00023.2013 D. Smetters, A. Majewska, and R. Yuste, Methods 18, 215 (1999). https://doi.org/10.1006/meth.1999.0774 K. Shirane, S. Kuriyama, and T. Tokimoto, Biochim. Biophys. Acta, Biomembr. 769, 596 (1984). https://doi.org/10.1016/0005-2736(84)90058-0 A. Martin-Molina, C. Rodriguez-Beas, and J. Faraudo, Biophys. J. 102, 2095 (2012). https://doi.org/10.1016/j.bpj.2012.03.009 M. Roux and M. Bloom, Biochemistry 29, 7077 (1990). https://doi.org/10.1021/bi00482a019 H. Hauser and M. C. Phillips, in Progress in Surface and Membrane Science, Ed. by D. A. Cadenhead and J. F. Danielli (Elsevier, Göttingen, F.R.G., 1979), Vol. 13, p. 297. C. Newton, W. Pangborn, S. Nir, and D. Papahadjopoulos, Biochim. Biophys. Acta, Biomembr. 506, 281 (1978). https://doi.org/10.1016/0005-2736(78)90398-X S. McLaughlin, N. Mulrine, T. Gresalfi, G. Vaio, and A. McLaughlin, J. Gen. Physiol. 77, 445 (1981). https://doi.org/10.1085/jgp.77.4.445 Z. T. Graber, Z. Shi, and T. Baumgart, Phys. Chem. Chem. Phys. 19, 15285 (2017). https://doi.org/10.1039/C7CP00718C M. Simunovic, K. Y. C. Lee, and P. Bassereau, Soft Matter 11, 5030 (2015). https://doi.org/10.1039/C5SM00104H B. Rozycki and R. Lipowsky, J. Chem. Phys. 142, 054101 (2015). https://doi.org/10.1063/1.4906149 Y.-F. Chen, K.-Y. Tsang, W.-F. Chang, and Z.-A. Fan, Soft Matter 11, 4041 (2015). https://doi.org/10.1039/C5SM00577A X. Cong, M. F. Poyton, A. J. Baxter, S. Pullanchery, and P. S. Cremer, J. Am. Chem. Soc. 137, 7785 (2015). https://doi.org/10.1021/jacs.5b03313 E. Weichselbaum, M. Osterbauer, D. G. Knyazev, O. V. Batishchev, S. A. Akimov, T. Hai Nguyen, C. Zhang, G. Knor, N. Agmon, P. Carloni, and P. Pohl, Sci. Rep. 7, 4553 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-04675-9 E. Weichselbaum, T. Galimzyanov, O. V. Batishchev, S. A. Akimov, and P. Pohl, Biomolecules 13, 352 (2023). R. W. Boyd, Nonlinear Optics, 3rd ed. (Academic, New York, 2008). O. Bouevitch, A. Lewis, I. Pinevsky, J. P. Wuskell, and L. M. Loew, Biophys. J. 65, 672 (1993). https://doi.org/10.1016/S0006-3495(93)81126-3 M. N. Shneider, A. A. Voronin, and A. M. Zheltikov, Phys. Rev. E 81, 031926 (2010). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.81.031926 T. Pons, L. Moreaux, O. Mongin, M. Blanchard-Desce, and J. Mertz, J. Biomed. Opt. 8, 428 (2023). https://doi.org/10.1117/1.1581871 L. Moreaux, O. Sandre, and J. Mertz, J. Opt. Soc. Am. B 17, 1685 (2000). https://doi.org/10.1364/JOSAB.17.001685 J. Jiang, K. B. Eisenthal, and R. Yuste, Biophys. J. 93, L26 (2007). https://doi.org/10.1529/biophysj.107.111021 M. A. Kriech and J. C. Conboy, J. Am. Chem. Soc. 127, 2834 (2005). https://doi.org/10.1021/ja0430649 T. T. Nguyen and J. C. Conboy, Anal. Chem. 83, 5979 (2011). https://doi.org/10.1021/ac2009614 M. Flörsheimer, C. Brillert, and H. Fuchs, Langmuir 15, 5437 (1999). https://doi.org/10.1021/la9815603 K. A. Smith and J. C. Conboy, Anal. Chem. 84, 8122 (2012). https://doi.org/10.1021/ac301290e D. Roesel, M. Eremchev, T. Schönfeldova, S. Lee, and S. Roke, Appl. Phys. Lett. 120, 160501 (2022). https://doi.org/10.1063/5.0085807 S. Ong, X. Zhao, and K. B. Eisenthal, Chem. Phys. Lett. 191, 327 (1992). https://doi.org/10.1016/0009-2614(92)85309-X K. B. Eisenthal, Chem. Rev. 96, 1343 (1996). https://doi.org/10.1021/cr9502211 L. B. Dreier, C. Bernhard, G. Gonella, E. H. G. Backus, and M. Bonn, J. Phys. Chem. Lett. 9, 5685 (2018). https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.8b02093 C. Macias-Romero, M. E. P. Didier, P. Jourdain, P. Marquet, P. Magistretti, O. B. Tarun, V. Zubkovs, A. Radenovic, and S. Roke, Opt. Express 22, 31102 (2014). https://doi.org/10.1364/OE.22.031102 M. Eremchev, D. Roesel, P.-M. Dansette, A. Michailovas, and S. Roke, Biointerphases 18, 031202 (2023). https://doi.org/10.1116/6.0002640 M. Eremchev, D. Roesel, C. S. Poojari, A. Roux, J. S. Hub, and S. Roke, Biophys. J. S0006-3495, 00034 (2023). https://doi.org/10.1016/j.bpj.2023.01.018 O. B. Tarun, C. Hannesschläger, P. Pohl, and S. Roke, Proc. Natl. Acad. Sci. 115, 4081 (2018). https://doi.org/10.1073/pnas.1719347115 O. B. Tarun, M. Yu. Eremchev, A. Radenovic, and S. Roke, Nano Lett. 19, 7608 (2019). https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b02024 D. Roesel, M. Eremchev, C. S. Poojari, J. S. Hub, and S. Roke, J. Am. Chem. Soc. 144, 23352 (2022). https://doi.org/10.1021/jacs.2c08543 O. B. Tarun, H. I. Okur, P. Rangamani, and S. Roke, Commun. Chem. 3, 17 (2020). https://doi.org/10.1038/s42004-020-0263-8 Gh. M. Sharifian, Mol. Pharm. 18, 2122 (2021). https://doi.org/10.1021/acs.molpharmaceut.1c00009 I. Yu. Eremchev, D. V. Prokopova, N. N. Losevskii, I. T. Mynzhasarov, S. P. Kotova, and A. V. Naumov, Phys. Usp. 65, 663 (2022). I. Yu. Eremchev, M. Yu. Eremchev, and A. V. Naumov, Phys. Usp. 62, 294 (2019). https://doi.org/10.3367/UFNe.2018.06.038461 C. Macias-Romero, I. Nahalka, H. I. Okur, and S. Roke, Science (Washington, DC, U. S.) 357 (6353), 784 (2017). https://doi.org/10.1126/science.aal4346 G. Zwaschka, I. Nahalka, A. Marchioro, Y. Tong, S. Roke, and R. K. Campen, ACS Catal. 10, 6084 (2020). https://doi.org/10.1021/acscatal.0c01177 M. E. P. Didier, O. B. Tarun, P. Jourdain, P. Magistretti, and S. Roke, Nat. Commun. 9, 5287 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-018-07713-w O. V. Sedelnikova, L. G. Bulusheva, A. V. Okotrub, and Yu. V. Pershin, JETP Lett. 103, 244 (2016). O. B. Tarun, M. Y. Eremchev, and S. Roke, Langmuir 34, 11305 (2018). https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.8b01790