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Phase Separation in Atomistic Simulations of Model Membranes
Journal of the American Chemical Society ( IF 14.4 ) Pub Date : 2020-01-21 , DOI: 10.1021/jacs.9b11057 Ruo-Xu Gu 1 , Svetlana Baoukina 1 , D Peter Tieleman 1
Journal of the American Chemical Society ( IF 14.4 ) Pub Date : 2020-01-21 , DOI: 10.1021/jacs.9b11057 Ruo-Xu Gu 1 , Svetlana Baoukina 1 , D Peter Tieleman 1
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Understanding the lateral organization in plasma membranes remains an open problem despite a large body of research. Model membranes with coexisting micron-size domains are routinely employed as simplified models of plasma membranes. Many molecular dynamics simulations have investigated phase separation in model membranes at the coarse-grained level, but atomistic simulations remain computationally challenging. We simulate DPPC:DOPC and DPPC:DOPC:cholesterol lipid bilayers to investigate phase transitions at temperatures from 310 K to 270K. In this temperature range, the binary mixture forms a liquid phase (Lα), and a coexistence of Lα and either gel or ripple phases. The ternary mixture forms a liquid disordered (Ld) phase, and a coexistence of liquid ordered (Lo) and either Ld or gel phases. We quantify the coexisting phases and discuss their properties against the background of experimental results. We observe partial registration of growing domains in both mixtures. We characterize specific cholesterol-cholesterol and cholesterol-phospholipid interaction geometries underlying its increased partitioning and the smoothed phase transition in the ternary mixture compared to the binary mixture. By comparing coexisting domains with homogeneous bilayers of the same composition, we demonstrate how domain coexistence affects their properties. Our simulations provide important insights into the lipid-lipid interactions in model lipid bilayers and improve our understanding of the lateral organization in plasma membranes with higher compositional complexity.
中文翻译：
模型膜原子模拟中的相分离
尽管进行了大量研究，但了解质膜中的横向组织仍然是一个悬而未决的问题。具有共存微米尺寸域的模型膜通常用作质膜的简化模型。许多分子动力学模拟已经在粗粒度水平研究了模型膜中的相分离，但原子模拟在计算上仍然具有挑战性。我们模拟 DPPC:DOPC 和 DPPC:DOPC:胆固醇脂质双层以研究 310 K 至 270 K 温度下的相变。在此温度范围内，二元混合物形成液相 (Lα)，并且 Lα 与凝胶相或波纹相共存。三元混合物形成液体无序 (Ld) 相，以及液体有序 (Lo) 和 Ld 或凝胶相的共存。我们量化共存相并在实验结果的背景下讨论它们的特性。我们观察到两种混合物中不断增长的域的部分注册。我们表征了特定的胆固醇 - 胆固醇和胆固醇 - 磷脂相互作用的几何形状，与二元混合物相比，三元混合物的分配增加和相变平滑。通过将共存域与相同组成的均匀双层进行比较，我们展示了域共存如何影响它们的特性。我们的模拟提供了对模型脂质双层中脂质-脂质相互作用的重要见解，并提高了我们对具有更高成分复杂性的质膜中横向组织的理解。我们观察到两种混合物中不断增长的域的部分注册。我们表征了特定的胆固醇 - 胆固醇和胆固醇 - 磷脂相互作用的几何形状，与二元混合物相比，三元混合物的分配增加和相变平滑。通过将共存域与相同组成的均匀双层进行比较，我们展示了域共存如何影响它们的特性。我们的模拟提供了对模型脂质双层中脂质-脂质相互作用的重要见解，并提高了我们对具有更高成分复杂性的质膜中横向组织的理解。我们观察到两种混合物中不断增长的域的部分注册。我们表征了特定的胆固醇 - 胆固醇和胆固醇 - 磷脂相互作用几何结构，与二元混合物相比，三元混合物中的分配增加和相变平滑。通过将共存域与相同组成的均匀双层进行比较，我们展示了域共存如何影响它们的特性。我们的模拟提供了对模型脂质双层中脂质-脂质相互作用的重要见解，并提高了我们对具有更高成分复杂性的质膜中横向组织的理解。我们表征了特定的胆固醇 - 胆固醇和胆固醇 - 磷脂相互作用的几何形状，与二元混合物相比，三元混合物的分配增加和相变平滑。通过将共存域与相同组成的均匀双层进行比较，我们展示了域共存如何影响它们的特性。我们的模拟提供了对模型脂质双层中脂质-脂质相互作用的重要见解，并提高了我们对具有更高成分复杂性的质膜中横向组织的理解。我们表征了特定的胆固醇 - 胆固醇和胆固醇 - 磷脂相互作用几何结构，与二元混合物相比，三元混合物中的分配增加和相变平滑。通过将共存域与相同组成的均匀双层进行比较，我们展示了域共存如何影响它们的特性。我们的模拟提供了对模型脂质双层中脂质-脂质相互作用的重要见解，并提高了我们对具有更高成分复杂性的质膜中横向组织的理解。
更新日期：2020-01-21
中文翻译：
模型膜原子模拟中的相分离
尽管进行了大量研究，但了解质膜中的横向组织仍然是一个悬而未决的问题。具有共存微米尺寸域的模型膜通常用作质膜的简化模型。许多分子动力学模拟已经在粗粒度水平研究了模型膜中的相分离，但原子模拟在计算上仍然具有挑战性。我们模拟 DPPC:DOPC 和 DPPC:DOPC:胆固醇脂质双层以研究 310 K 至 270 K 温度下的相变。在此温度范围内，二元混合物形成液相 (Lα)，并且 Lα 与凝胶相或波纹相共存。三元混合物形成液体无序 (Ld) 相，以及液体有序 (Lo) 和 Ld 或凝胶相的共存。我们量化共存相并在实验结果的背景下讨论它们的特性。我们观察到两种混合物中不断增长的域的部分注册。我们表征了特定的胆固醇 - 胆固醇和胆固醇 - 磷脂相互作用的几何形状，与二元混合物相比，三元混合物的分配增加和相变平滑。通过将共存域与相同组成的均匀双层进行比较，我们展示了域共存如何影响它们的特性。我们的模拟提供了对模型脂质双层中脂质-脂质相互作用的重要见解，并提高了我们对具有更高成分复杂性的质膜中横向组织的理解。我们观察到两种混合物中不断增长的域的部分注册。我们表征了特定的胆固醇 - 胆固醇和胆固醇 - 磷脂相互作用的几何形状，与二元混合物相比，三元混合物的分配增加和相变平滑。通过将共存域与相同组成的均匀双层进行比较，我们展示了域共存如何影响它们的特性。我们的模拟提供了对模型脂质双层中脂质-脂质相互作用的重要见解，并提高了我们对具有更高成分复杂性的质膜中横向组织的理解。我们观察到两种混合物中不断增长的域的部分注册。我们表征了特定的胆固醇 - 胆固醇和胆固醇 - 磷脂相互作用几何结构，与二元混合物相比，三元混合物中的分配增加和相变平滑。通过将共存域与相同组成的均匀双层进行比较，我们展示了域共存如何影响它们的特性。我们的模拟提供了对模型脂质双层中脂质-脂质相互作用的重要见解，并提高了我们对具有更高成分复杂性的质膜中横向组织的理解。我们表征了特定的胆固醇 - 胆固醇和胆固醇 - 磷脂相互作用的几何形状，与二元混合物相比，三元混合物的分配增加和相变平滑。通过将共存域与相同组成的均匀双层进行比较，我们展示了域共存如何影响它们的特性。我们的模拟提供了对模型脂质双层中脂质-脂质相互作用的重要见解，并提高了我们对具有更高成分复杂性的质膜中横向组织的理解。我们表征了特定的胆固醇 - 胆固醇和胆固醇 - 磷脂相互作用几何结构，与二元混合物相比，三元混合物中的分配增加和相变平滑。通过将共存域与相同组成的均匀双层进行比较，我们展示了域共存如何影响它们的特性。我们的模拟提供了对模型脂质双层中脂质-脂质相互作用的重要见解，并提高了我们对具有更高成分复杂性的质膜中横向组织的理解。
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